Swoole与Go系列教程之TCP服务的应用

大家好，我是码农先森。

写在前面

TCP（传输控制协议）的出现是为了解决计算机网络中的数据可靠传输和连接管理的问题。在早期的计算机网络中，特别是在分组交换和互联网的发展初期，网络是不可靠的，存在丢包、错误和延迟等问题。为了保证数据能够可靠地传输，需要一种协议来提供可靠的传输机制。而早期的协议如UDP（用户数据报协议）是无连接的、不可靠的，无法满足应用程序对连接管理的需求。TCP协议提供一种标准化、可靠的数据传输服务，促进了互联网的发展和应用的普及。

TCP 协议原理

TCP（传输控制协议）是一种可靠的、面向连接的传输层协议。它提供了一种端到端的可靠数据传输机制，确保数据在不可靠的网络中按序送达，并且无差错、无重复和无丢失。

• 源端口（Source Port）：指发送端（客户端）使用的端口号。在 TCP 连接中，源端口标识了发送数据的应用程序或进程。
• 目的端口（Destination port）：指接收端（服务器）用于接收数据的端口号。它位于 TCP 报文段的头部中的目的端口字段。
• 序列号（Sequence Number）：序列号是用于对发送的数据进行分段和重组的编号。它标识了 TCP 报文段中的数据字节的顺序。序列号字段位于 TCP 报文段的头部，并且是一个32位的字段。
• 应答号（Acknowledgment Number）：是指发送方期望接收到的下一个序列号。它是TCP报文头部中的一个字段，用于确认已经成功接收到的数据。
• 首部长度（Header Lenght）：它表示TCP首部的长度，指示了TCP报文头部所占用的字节数。
• 保留（Reserved）：指TCP报文段头部中的一些预留字段，它们保留为未来使用而暂时未定义其具体含义。
• 窗口大小（Window Size）：是一个用于流量控制的参数，它表示接收方所能接收的未确认数据的最大字节数。
• 校验和（Check Sum）：是一种用于检测数据完整性的机制，它用于验证TCP报文段在传输过程中是否发生了位错误或损坏。
• 紧急指针（Urgent Pointer）：是一种用于标识数据流中的紧急数据的机制。它用于告知接收方数据流中存在需要优先处理的紧急数据。
• CWR（Congestion Window Reduce）：表示拥塞窗口减少标志，用于指示发送方收到了一个ECN报文，并相应地减小了拥塞窗口的大小。
• ECE（ECN Echo）：表示显式拥塞通告回显，用于指示接收方支持并报告网络拥塞情况。
• URG（Urgent）：表示TCP报文段中存在紧急数据，并且需要在正常数据之前被优先处理。
• PSH（Push）：表示接收方在接收到该TCP报文后应该立即将数据推送给上层应用，而不是等待缓冲区满或者计时器触发。
• RST（Reset）：表示复位标志位。RST标志位在TCP报文段中用于终止连接，它用于关闭一个非正常或不可恢复的连接。
• SYN(Synchronize)：表示同步标志位。用于发起连接的建立过程。
• FIN(Finish)：表示结束标志位，用于连接的关闭过程。

TCP三次握手是建立TCP连接时使用的一种协议，其步骤如下：

第一次握手（SYN）：
客户端向服务器发送一个带有SYN（同步）标志位的数据包，用于请求建立连接。该数据包中会携带客户端的初始序列号。

第二次握手（SYN + ACK）：
服务器收到客户端的连接请求后，会向客户端发送带有SYN和ACK（确认）标志位的数据包作为响应。该数据包中会携带服务器的初始序列号，并确认客户端的序列号。

第三次握手（ACK）：
客户端收到服务器的响应后，会向服务器发送一个带有ACK标志位的数据包进行确认。这个确认信号代表客户端已经准备就绪，连接已建立。

双方完成以上三个步骤后，TCP连接建立成功，可以开始进行数据传输。

TCP四次挥手是用于关闭TCP连接的协议，其步骤如下：

第一次挥手（FIN）：
当客户端决定关闭连接时，会发送一个带有FIN（结束）标志位的数据包给服务器，表示不再发送数据，但仍然可以接收数据。

第二次挥手（ACK）：
服务器收到客户端的关闭请求后，会发送一个带有ACK标志位的数据包作为确认响应。该数据包表示服务器已经接收到了客户端的关闭请求。

第三次挥手（FIN）：
当服务器也准备关闭连接时，会向客户端发送一个带有FIN标志位的数据包，表示服务器不再发送数据。此时，服务器也进入了关闭等待状态。

第四次挥手（ACK）：
客户端收到服务器的关闭请求后，会发送一个带有ACK标志位的数据包作为确认响应。该数据包表示客户端已经接收到了服务器的关闭请求，连接将被完全关闭。

在四次挥手完成后，双方都进入了关闭状态，释放连接资源，并确保最后的数据段都能够被可靠地传递。这样可避免因为网络延迟或丢包而导致的数据传输错误或资源浪费。

在 Swoole 中的应用

1. 使用new Swoole\Server('0.0.0.0', 9501)创建了一个TCP服务器对象，监听0.0.0.0地址和9501端口。
2. 使用$server->on('connect', function ($server, $fd) { ... });监听TCP连接事件。
3. 当有新的TCP连接建立时，会执行回调函数内的代码。回调函数中，将打印出新连接的文件描述符($fd)。
4. 使用$server->on('receive', function ($server, $fd, $fromId, $data) { ... });监听TCP数据接收事件。
5. 使用$server->on('close', function ($server, $fd) { ... });监听TCP连接关闭事件。
6. 当有TCP连接关闭时，会执行回调函数内的代码。回调函数中，将打印出关闭连接的文件描述符($fd)。
7. 使用$server->start();启动TCP服务器，使其开始监听并处理连接请求。

<?php

// 创建 TCP 服务器对象，监听 0.0.0.0:9501 端口
$server = new Swoole\Server('0.0.0.0', 9501);

// 监听 TCP 连接事件
$server->on('connect', function ($server, $fd) {
    echo "New TCP connection established: {$fd}\n";
});

// 监听 TCP 数据接收事件
$server->on('receive', function ($server, $fd, $fromId, $data) {
    echo "Received data from {$fd}: {$data}\n";

    // 向客户端发送回复消息
    $server->send($fd, 'Hello from Swoole server!');
});

// 监听 TCP 连接关闭事件
$server->on('close', function ($server, $fd) {
    echo "TCP connection closed: {$fd}\n";
});

// 启动 TCP 服务器
$server->start();

在 Go 语言中的应用

1. 使用net.Listen("tcp", "0.0.0.0:9501")函数在0.0.0.0:9501地址上创建了一个TCP监听器。
2. 使用listener.Accept()函数接受客户端的连接请求。
3. 对于每个连接请求，使用handleConnection(conn)函数处理连接。
4. 为了并发处理多个连接，使用go关键字将处理连接的任务放入一个新的goroutine中执行。
5. 初始化一个缓冲区buffer，使用conn.Read()函数从连接中读取数据
6. 然后，使用conn.Write()函数向客户端发送回复消息"Hello from Go server!"。

package main

import (
    "fmt"
    "net"
)

// nc 0.0.0.0:9501
func main() {
    // 监听 0.0.0.0:9501 地址
    listener, err := net.Listen("tcp", "0.0.0.0:9501")
    if err != nil {
        fmt.Println("Failed to start TCP server:", err)
        return
    }
    defer listener.Close()

    fmt.Println("TCP server started on 0.0.0.0:9501")

    for {
        // 接受客户端连接请求
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("Error accepting connection:", err)
            continue
        }

        // 处理客户端连接
        go handleConnection(conn)
    }
}

func handleConnection(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()

    fmt.Println("New TCP connection established:", conn.RemoteAddr())

    // 处理接收和发送数据
    buffer := make([]byte, 1024)
    for {
        n, err := conn.Read(buffer)
        if err != nil {
            fmt.Println("Error reading data:", err)
            break
        }

        data := buffer[:n]
        fmt.Printf("Received data from %s: %s\n", conn.RemoteAddr(), string(data))

        // 回复消息给客户端
        conn.Write([]byte("Hello from Go server!"))

        // 处理完数据后结束连接
        break
    }

    fmt.Println("TCP connection closed:", conn.RemoteAddr())
}

总结

1. TCP 协议提供了可靠的传输方式，让数据的传输有了保障。
2. Swoole 对连接的处理，是在进程中进行的。
3. Go 语言针对每个连接，都分配了一个协程进行处理，提高了服务的处理能力。

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