Socket 在英文中的含义为“(连接两个物品的)凹槽”,像the eye socket,意为“眼窝”,此外还有“插座”的意思。在计算机科学中,socket 通常是指一个连接的两个端点,这里的连接可以是同一机器上的,像unix domain socket,也可以是不同机器上的,像network socket

本文着重介绍现在用的最多的 network socket,包括其在网络模型中的位置、API 的编程范式、常见错误等方面,最后用 Python 语言中的 socket API 实现几个实际的例子。Socket 中文一般翻译为“套接字”,不得不说这是个让人摸不着头脑的翻译,我也没想到啥“信达雅”的翻译,所以本文直接用其英文表述。本文中所有代码均可在 socket.py 仓库中找到。

概述

Socket 作为一种通用的技术规范,首次是由 Berkeley 大学在 1983 为 4.2BSD Unix 提供的,后来逐渐演化为 POSIX 标准。Socket API 是由操作系统提供的一个编程接口,让应用程序可以控制使用 socket 技术。Unix 哲学中有一条一切皆为文件,所以 socketfile 的 API 使用很类似:可以进行readwriteopenclose等操作。

现在的网络系统是分层的,理论上有OSI模型,工业界有TCP/IP协议簇。其对比如下:


 osi vs tcp/ip

每层上都有其相应的协议,socket API 不属于TCP/IP协议簇,只是操作系统提供的一个用于网络编程的接口,工作在应用层与传输层之间:

where socket works in tcp/ip

我们平常浏览网站所使用的http协议,收发邮件用的smtp与imap,都是基于 socket API 构建的。

一个 socket,包含两个必要组成部分:

  1. 地址,由 ip 与 端口组成,像192.168.0.1:80
  2. 协议,socket 所是用的传输协议,目前有三种:TCPUDPraw IP

地址与协议可以确定一个socket;一台机器上,只允许存在一个同样的socket。TCP 端口 53 的 socket 与 UDP 端口 53 的 socket 是两个不同的 socket。

根据 socket 传输数据方式的不同(使用协议不同),可以分为以下三种:

  1. Stream sockets,也称为“面向连接”的 socket,使用 TCP 协议。实际通信前需要进行连接,传输的数据没有特定的结构,所以高层协议需要自己去界定数据的分隔符,但其优势是数据是可靠的。
  2. Datagram sockets,也称为“无连接”的 socket,使用 UDP 协议。实际通信前不需要连接,一个优势时 UDP 的数据包自身是可分割的(self-delimiting),也就是说每个数据包就标示了数据的开始与结束,其劣势是数据不可靠。
  3. Raw sockets,通常用在路由器或其他网络设备中,这种 socket 不经过TCP/IP协议簇中的传输层(transport layer),直接由网络层(Internet layer)通向应用层(Application layer),所以这时的数据包就不会包含 tcp 或 udp 头信息。

     数据包在各个层间的变更

    Python socket API

Python 里面用(ip, port)的元组来表示 socket 的地址属性,用AF_*来表示协议类型。
数据通信有两组动词可供选择:send/recvread/writeread/write 方式也是 Java 采用的方式,这里不会对这种方式进行过多的解释,但是需要注意的是:

read/write 操作的具有 buffer 的“文件”,所以在进行读写后需要调用flush方法去真正发送或读取数据,否则数据会一直停留在缓冲区内。

TCP socket

TCP socket 由于在通信前需要建立连接,所以其模式较 UDP socket 复杂些。具体如下:


TCP socket API

API 的具体含义这里不在赘述,可以查看手册,这里给出 Python 语言实现的 echo server。

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import socket
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
def handler(client_sock, addr):
try:
print('new client from %s:%s' % addr)
msg = client_sock.recv(100)
client_sock.send(msg)
print('received data[%s] from %s:%s' % ((msg,) + addr))
finally:
client_sock.close()
print('client[%s:%s] socket closed' % addr)
if __name__ == '__main__':
# 设置 SO_REUSEADDR 后,可以立即使用 TIME_WAIT 状态的 socket
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
sock.bind(('', 5500))
sock.listen(5)
while 1:
client_sock, addr = sock.accept()
handler(client_sock, addr)
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import socket
if __name__ == '__main__':
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
data_to_sent = 'hello tcp socket'
try:
sock.connect(('', 5500))
sent = sock.send(data_to_sent)
print(sock.recv(1024))
finally:
sock.close()
print('socket closed')

上面代码有一点需要注意:server 端的 socket 设置了SO_REUSEADDR为1,目的是可以立即使用处于TIME_WAIT状态的socket,那么TIME_WAIT又是什么意思呢?后面在讲解 tcp 状态机时再做详细介绍。

UDP socket


 udp_socket_api

UDP 版的 socket server 的代码在进行bind后,无需调用listen方法。

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import socket
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 设置 SO_REUSEADDR 后,可以立即使用 TIME_WAIT 状态的 socket
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
sock.bind(('', 5500))
# 没有调用 listen
if __name__ == '__main__':
while 1:
data, addr = sock.recvfrom(1024)
print('new client from %s:%s' % addr)
sock.sendto(data, addr)
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import socket
udp_server_addr = ('', 5500)
if __name__ == '__main__':
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
data_to_sent = 'hello udp socket'
try:
sent = sock.sendto(data_to_sent, udp_server_addr)
data, server = sock.recvfrom(1024)
print('receive data:[%s] from %s:%s' % ((data,) + server))
finally:
sock.close()

常见陷阱

忽略返回值

本文中的 echo server 示例因为篇幅限制,也忽略了返回值。网络通信是个非常复杂的问题,通常无法保障通信双方的网络状态,很有可能在发送/接收数据时失败或部分失败。所以有必要对发送/接收函数的返回值进行检查。本文中的 tcp echo client 发送数据时,正确写法应该如下:

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total_send = 0
content_length = len(data_to_sent)
while total_send < content_length:
sent = sock.send(data_to_sent[total_send:])
if sent == 0:
raise RuntimeError("socket connection broken")
total_send += total_send + sent

同理,接收数据时也应该检查返回值:

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chunks = []
bytes_recd = 0
while bytes_recd < MSGLEN: # MSGLEN 为实际数据大小
chunk = self.sock.recv(min(MSGLEN - bytes_recd, 2048))
if chunk == b'':
raise RuntimeError("socket connection broken")
chunks.append(chunk)
bytes_recd = bytes_recd + len(chunk)
return b''.join(chunks)

send/recv操作的是网络缓冲区的数据,它们不必处理传入的所有数据。

一般来说,当网络缓冲区填满时,send函数就返回了;当网络缓冲区被清空时,recv 函数就返回。

可以通过下面的方式设置缓冲区大小。

s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_SNDBUF, buffer_size)  # 发送
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_RCVBUF, buffer_size)  # 接受

误认为 TCP 具有 framing

TCP 不提供 framing,这使得其很适合于传输数据流。这是其与 UDP 的重要区别之一。UDP 是一个面向消息的协议,能保持一条消息在发送者与接受者之间的完备性。


Framing capabilities of UDP and the lack of framing in TCP

代码示例参考:framing_assumptions

TCP 的状态机

在前面echo server 的示例中,提到了TIME_WAIT状态,为了正式介绍其概念,需要了解下 TCP 从生成到结束的状态机。(图片来源


 tcp_state transition

这个状图转移图非常非常关键,也比较复杂,我自己为了方便记忆,对这个图进行了拆解,仔细分析这个图,可以得出这样一个结论:

连接的打开与关闭有被动(passive)与主动(active)两种情况。主动关闭时,涉及到的状态转移最多,包括FIN_WAIT_1、FIN_WAIT_2、CLOSING、TIME_WAIT。(是不是有种 no zuo no die 的感觉)

此外,由于 TCP 是可靠的传输协议,所以每次发送一个数据包后,都需要得到对方的确认(ACK),有了上面这两个知识后,再来看下面的图:(图片来源


 tcp 关闭时的状态转移时序图
  1. 在主动关闭连接的 socket 调用 close方法的同时,会向被动关闭端发送一个 FIN
  2. 对端收到FIN后,会向主动关闭端发送ACK进行确认,这时被动关闭端处于 CLOSE_WAIT 状态
  3. 当被动关闭端调用close方法进行关闭的同时向主动关闭端发送 FIN 信号,接收到 FIN 的主动关闭端这时就处于 TIME_WAIT 状态
  4. 这时主动关闭端不会立刻转为 CLOSED 状态,而是需要等待 2MSL(max segment life,一个数据包在网络传输中最大的生命周期),以确保被动关闭端能够收到最后发出的 ACK。如果被动关闭端没有收到最后的 ACK,那么被动关闭端就会重新发送 FIN,所以处于TIME_WAIT的主动关闭端会再次发送一个 ACK 信号,这么一来(FIN来)一回(ACK),正好是两个 MSL 的时间。如果等待的时间小于 2MSL,那么新的socket就可以收到之前连接的数据。

前面 echo server 的示例也说明了,处于 TIME_WAIT 并不是说一定不能使用,可以通过设置 socket 的 SO_REUSEADDR 属性以达到不用等待 2MSL 的时间就可以复用socket 的目的,当然,这仅仅适用于测试环境,正常情况下不要修改这个属性。

实战

HTTP UA

http 协议是如今万维网的基石,可以通过 socket API 来简单模拟一个浏览器(UA)是如何解析 HTTP 协议数据的。

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import socket
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
baidu_ip = socket.gethostbyname('baidu.com')
sock.connect((baidu_ip, 80))
print('connected to %s' % baidu_ip)
req_msg = [
'GET / HTTP/1.1',
'User-Agent: curl/7.37.1',
'Host: baidu.com',
'Accept: */*',
]
delimiter = '\r\n'
sock.send(delimiter.join(req_msg))
sock.send(delimiter)
sock.send(delimiter)
print('%sreceived%s' % ('-'*20, '-'*20))
http_response = sock.recv(4096)
print(http_response)

运行上面的代码可以得到下面的输出

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--------------------received--------------------
HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 01 Nov 2016 12:16:53 GMT
Server: Apache
Last-Modified: Tue, 12 Jan 2010 13:48:00 GMT
ETag: "51-47cf7e6ee8400"
Accept-Ranges: bytes
Content-Length: 81
Cache-Control: max-age=86400
Expires: Wed, 02 Nov 2016 12:16:53 GMT
Connection: Keep-Alive
Content-Type: text/html
<html>
<meta http-equiv="refresh" content="0;url=http://www.baidu.com/">
</html>

http_response是通过直接调用recv(4096)得到的,万一真正的返回大于这个值怎么办?我们前面知道了 TCP 协议是面向流的,它本身并不关心消息的内容,需要应用程序自己去界定消息的边界,对于应用层的 HTTP 协议来说,有几种情况,最简单的一种时通过解析返回值头部的Content-Length属性,这样就知道body的大小了,对于 HTTP 1.1版本,支持Transfer-Encoding: chunked传输,对于这种格式,这里不在展开讲解,大家只需要知道, TCP 协议本身无法区分消息体就可以了。对这块感兴趣的可以查看 CPython 核心模块 http.client

Unix_domain_socket

UDS 用于同一机器上不同进程通信的一种机制,其API适用与 network socket 很类似。只是其连接地址为本地文件而已。

代码示例参考:uds_server.pyuds_client.py

ping

ping 命令作为检测网络联通性最常用的工具,其适用的传输协议既不是TCP,也不是 UDP,而是 ICMP
ICMP 消息(messages)通常用于诊断 IP 协议产生的错误,traceroute 命令也是基于 ICMP 协议实现。利用 Python raw sockets API 可以模拟发送 ICMP 消息,实现类似 ping 的功能。

代码示例参考:ping.py

netstat vs ss

netstat 与 ss 是类 Unix 系统上查看 Socket 信息的命令。
netstat 是比较老牌的命令,我常用的选择有

  • -t,只显示 tcp 连接
  • -u,只显示 udp 连接
  • -n,不用解析hostname,用 IP 显示主机,可以加快执行速度
  • -p,查看连接的进程信息
  • -l,只显示监听的连接

ss 是新兴的命令,其选项和 netstat 差不多,主要区别是能够进行过滤(通过stateexclude关键字)。

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$ ss -o state time-wait -n | head
Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port
0 0 10.200.181.220:2222 10.200.180.28:12865 timer:(timewait,33sec,0)
0 0 127.0.0.1:45977 127.0.0.1:3306 timer:(timewait,46sec,0)
0 0 127.0.0.1:45945 127.0.0.1:3306 timer:(timewait,6.621ms,0)
0 0 10.200.181.220:2222 10.200.180.28:12280 timer:(timewait,12sec,0)
0 0 10.200.181.220:2222 10.200.180.28:35045 timer:(timewait,43sec,0)
0 0 10.200.181.220:2222 10.200.180.28:42675 timer:(timewait,46sec,0)
0 0 127.0.0.1:45949 127.0.0.1:3306 timer:(timewait,11sec,0)
0 0 127.0.0.1:45954 127.0.0.1:3306 timer:(timewait,21sec,0)
0 0 ::ffff:127.0.0.1:3306 ::ffff:127.0.0.1:45964 timer:(timewait,31sec,0)

这两个命令更多用法可以参考:

总结

我们的生活已经离不开网络,平时的开发也充斥着各种复杂的网络应用,从最基本的数据库,到各种分布式系统,不论其应用层怎么复杂,其底层传输数据的的协议簇是一致的。Socket 这一概念我们很少直接与其打交道,但是当我们的系统出现问题时,往往是对底层的协议认识不足造成的,希望这篇文章能对大家编程网络方面的程序有所帮助。

参考