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张大胖的socket

码农翻身 · 公众号 · 程序员架构 · 2016-11-09 19:58

正文

张大胖研究TCP/IP已经有段时间了。

他终于明白了所谓IP层就是把数据分组从一个主机跨越千山万水搬运到另外一主机，并且这搬运服务一点都不可靠，丢包、重复、失序可以说是家常便饭，怪不得说是“尽力而为”，基本上无所作为。

脏活累活只好让TCP来做了，在两个主机的应用（进程）之间通过失败重传来实现可靠性的传输。

张大胖经常感慨：这建立一个TCP连接可是相当的复杂，我的程序得先和远端的服务器打个招呼，然后它再给我打个招呼确认，我还得再给它确认下。这还不算完，我们的招呼中还得各自带上各自的序号，这将来传输真正的数据时用到。

具体的传输就更麻烦了，什么滑动窗口，什么累积确认、分组缓存、流量控制，简直不是人做的事情。

到了断开连接的时候，还得考虑友好分手！

可是领导竟然让张大胖用这个超级复杂的TCP协议来编程，来设计一个客户端和服务器端的通信系统。

张大胖掂量了下自己，觉得肯定搞不定，于是赶紧向自己的好基友，编程大神Bill求救， Bill 在电话里说： “这很简单啊，你去看看TCP/IP协议的RFC, 然后用C语言编程实现不就行了吗。”

张大胖心想这等于啥也没说，继续“跪求” 。 Bill 终于说：“等着吧，我下周给你”

Socket

周一， Bill果然带着7、8张软盘来找张大胖了，把软盘的程序分别Copy到了两个电脑里，一个模拟客户端，一个模拟服务器。很快程序运行起来了，两个电脑可以通过TCP通信了。

张大胖说： “大神，你是怎么做到的？”

Bill说：“TCP协议的确很复杂，我们不能要求每个程序员都去实现建立连接的3次握手，累积确认，分组缓存，这些应该是属于操作系统内核的部分，没必要重复开发，但是对于应用程序来讲， 操作系统需要抽象出一个概念，让上层应用去编程。 “

“什么概念？”

“socket”

”为啥叫socket? “

"一个比喻而已，就像插座一样，一个插头插进插座，建立了连接。不过我设计这个socket 可以理解为 (客户端IP, 客户端Port, 服务器端IP, 服务器端Port)，对了， Port就是端口，通俗点讲就是一个数字而已"

“好像不用port就可以吧，因为我们这是两个机器之间的通信， IP是不是就够了？”

Bill 说：“看来你忘了， TCP是两个进程之间的通信，客户端上可以有很多进程同时访问多个服务器，服务器上也有多个进程对外提供服务，肯定要区分开啊”

张大胖不好意思的说： “原来端口号就是用来区分进程的，这样IP层发过来的数据包，到达TCP层以后就可以分发给各个应用程序了。 ”

“对的，这叫多路复用。一般来说，服务器端都是被动访问的，所以大家需要知道它提供服务的端口号，要不然怎么连接？例如80， 443等，就是所谓知名端口号；而客户端访问服务器的时候，自己的端口号可以随机生成一个，只要不和别的应用冲突即可。”

Socket编程

张大胖问道： “那具体怎么使用你的Socket来编程？ ”

“这要分为客户端和服务器端，两者不一样，对客户端来讲很简单，你需要创建一个socket，然后向服务器发起连接，连接上以后就可以发送，接收数据了，你看看这段伪代码“

"恩，抽象以后果然是不一样，那些烦人的细节都被隐藏了，只剩下一些概念性的东西，用起来很清爽，这个clientfd 我猜就是一个像文件描述符那样的东西吧？打开文件就会有一个"

“对的，很好的类比，注意，在上面的伪码中，没有出现客户端的ip和端口， 系统可以自动获得IP，也可以自动分配端口。还有，看到那个connect 函数没有，其实就是在和服务器发起三次握手呢。 ”

“那服务器怎么响应？”

“服务器端要复杂一些，你想想看，第一，服务器是被动的，所以它启动以后，需要监听客户端发起的连接，第二，服务器要应付很多的客户端发起连接，所以它一定得各个socket给区分开了，要不就乱了套了，伪代码是这个样子的：”

张大胖说： “果然是复杂多了， listenfd ,从名称看就是为了要监听而创建的socket描述符吧， bind 是干嘛？嗯，我猜是为了声明说我要占用这个端口了啊，你们都别用了， listen函数才是真正开始监听了。

慢着，我赛，接下来是个死循环啊，啊对对，服务器端一直提供服务，永不停歇。可是这个accept是干嘛，为什么使用了listenfd , 然后返回了一个新的connfd ???”

Bill满意的说： “不错，思考就有进步，可是你忘了我刚说的东西了，服务器要区分开各个客户端，怎么区分呢？那只有用一个新的socket来表示喽，你看后面的操作都是基于connfd 来做的。还有这个accept 相当于和客户端的connect 一起完成了TCP的三次握手 ！至于之前的listenfd ，它只起到一个大门的作用了，意思是说，欢迎敲门，进门之后我将为你生成一个独一无二的socket描述符！ ”

“有道理，大神果然是大神，考虑的非常全面啊，不过似乎有个漏洞，你一开始说socket指的是 (IP, Port), 现在你已经有了一个listenfd 的socket, 端口是80 然后每次客户端发起连接还要创建新的connfd, 因为80端口已经被占用，难道服务器端会为每个连接都创建新的端口吗？”

"这是个好问题啊" Bill 说 “其实新创建的connfd 并没有使用新的端口号，也是用的80, 可以这么理解，这个socket描述符指向一个数据结构，例如 listenfd 指向的结构是这样的：”

“而一旦accept 新的连接，新的connfd 就会生成, 像下面的表格，就生成了两个connfd , 它们俩服务器端的ip和port都是想同的，但是客户端的IP和Port是不同的，自然就可以区分开来了”

张大胖说：“唉，这底层做了这么多工作啊，看来socket 必须得通过(客户端IP, 客户端Port, 服务器端IP, 服务器端Port) 来确定”

“其实这个四元组还不太准确，因为咱们说了半天，都是TCP协议的socket, 因为你们领导只要你实现这一个，你看过UDP没有？就是那个无连接的运输层协议，也有socket, 所以更准确的定义的话，还得加上协议这一项，变成五元组(协议，客户端IP, 客户端Port, 服务器端IP, 服务器端Port) ”

“大神，咱们什么时候讲讲UDP的socket ? ”

"下次再说吧！"

题外话：文中提到的Bill 是向 Bill Joy致敬，这是一个天才程序员，主要工作包括BSD Unix操作系统，实现TCP/IP协议栈， vi 编辑器，c shell ， NFC, SPARC处理器，jini等。

当年DARPA（美国国防部先进研究项目局）和一个叫做BBN的公司签署了一个合同，要把TCP/IP协议加入到Berkeley Unix当中，当研究生Bill Joy 看到BBN写的TCP/IP实现时，觉得非常差劲，拒绝把它加入内核，后来干脆卷起袖子自己实现了一个高性能的TCP/IP栈，这个协议栈至今是互联网的基石。

别人问他是怎么实现这么复杂的软件的，这位大神说： “很简单啊，你只需要看看协议，然后把代码写出来就行了”

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