TCP 和 UDP 的 Socket 调用

简介: 【2月更文挑战第19天】

在网络层,Socket 函数需要指定到底是 IPv4 还是 IPv6,分别对应设置为 AF_INET 和 AF_INET6。另外,还要指定到底是 TCP 还是 UDP。TCP 协议是基于数据流的,所以设置为 SOCK_STREAM,而 UDP 是基于数据报的,因而设置为 SOCK_DGRAM。


TCP 的服务端要先监听一个端口,一般是先调用 bind 函数,给这个 Socket 赋予一个 IP 地址和端口。为什么需要端口呢?要知道,你写的是一个应用程序,当一个网络包来的时候,内核要通过 TCP 头里面的这个端口,来找到你这个应用程序,把包给你。为什么要 IP 地址呢?有时候,一台机器会有多个网卡,也就会有多个 IP 地址,你可以选择监听所有的网卡,也可以选择监听一个网卡,这样,只有发给这个网卡的包,才会给你。


当服务端有了 IP 和端口号,就可以调用 listen 函数进行监听。在 TCP 的状态图里面,有一个 listen 状态,当调用这个函数之后,服务端就进入了这个状态,这个时候客户端就可以发起连接了。


在内核中,为每个 Socket 维护两个队列。一个是已经建立了连接的队列,这时候连接三次握手已经完毕,处于 established 状态;一个是还没有完全建立连接的队列,这个时候三次握手还没完成,处于 syn_rcvd 的状态。


接下来,服务端调用 accept 函数,拿出一个已经完成的连接进行处理。如果还没有完成,就要等着。


在服务端等待的时候,客户端可以通过 connect 函数发起连接。先在参数中指明要连接的 IP 地址和端口号,然后开始发起三次握手。内核会给客户端分配一个临时的端口。一旦握手成功,服务端的 accept 就会返回另一个 Socket。


监听的 Socket 和真正用来传数据的 Socket 是两个,一个叫作监听 Socket,一个叫作已连接 Socket


连接建立成功之后,双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据,就像往一个文件流里面写东西一样。


基于 TCP 协议的 Socket 程序函数调用过程。

image.png image.gif

说 TCP 的 Socket 就是一个文件流,是非常准确的。因为,Socket 在 Linux 中就是以文件的形式存在的。除此之外,还存在文件描述符。写入和读出,也是通过文件描述符。


在内核中,Socket 是一个文件,那对应就有文件描述符。每一个进程都有一个数据结构 task_struct,里面指向一个文件描述符数组,来列出这个进程打开的所有文件的文件描述符。文件描述符是一个整数,是这个数组的下标。


image.png


UDP 是没有连接的,所以不需要三次握手,也就不需要调用 listen 和 connect,但是,UDP 的交互仍然需要 IP 和端口号,因而也需要 bind。UDP 是没有维护连接状态的,因而不需要每对连接建立一组 Socket,而是只要有一个 Socket,就能够和多个客户端通信。也正是因为没有连接状态,每次通信的时候,都调用 sendto 和 recvfrom,都可以传入 IP 地址和端口。

image.gif image.png

最大 TCP 连接数 = 客户端 IP 数×客户端端口数。对 IPv4,客户端的 IP 数最多为 2 的 32 次方,客户端的端口数最多为 2 的 16 次方,也就是服务端单机最大 TCP 连接数,约为 2 的 48 次方。


当然,服务端最大并发 TCP 连接数远不能达到理论上限。首先主要是文件描述符限制,按照上面的原理,Socket 都是文件,所以首先要通过 ulimit 配置文件描述符的数目;另一个限制是内存,按上面的数据结构,每个 TCP 连接都要占用一定内存,操作系统是有限的。


1、多进程方式

这就相当于你是一个代理,在那里监听来的请求。一旦建立了一个连接,就会有一个已连接 Socket,这时候你可以创建一个子进程,然后将基于已连接 Socket 的交互交给这个新的子进程来做。


2、多线程方式

在 Linux 下,通过 pthread_create 创建一个线程,也是调用 do_fork。不同的是,虽然新的线程在 task 列表会新创建一项,但是很多资源,例如文件描述符列表、进程空间,还是共享的,只不过多了一个引用而已。

有个 C10K,它的意思是一台机器要维护 1 万个连接,就要创建 1 万个进程或者线程,那么操作系统是无法承受的。如果维持 1 亿用户在线需要 10 万台服务器,成本也太高了。


3、IO 多路复用,一个线程维护多个 Socket

由于 Socket 是文件描述符,因而某个线程盯的所有的 Socket,都放在一个文件描述符集合 fd_set 中,这就是项目进度墙,然后调用 select 函数来监听文件描述符集合是否有变化。一旦有变化,就会依次查看每个文件描述符。


4、IO 多路复用,从“派人盯着”到“有事通知”

能完成这件事情的函数叫 epoll,它在内核中的实现不是通过轮询的方式,而是通过注册 callback 函数的方式,当某个文件描述符发送变化的时候,就会主动通知。


这种通知方式使得监听的 Socket 数据增加的时候,效率不会大幅度降低,能够同时监听的 Socket 的数目也非常的多了。上限就为系统定义的、进程打开的最大文件描述符个数。因而,epoll 被称为解决 C10K 问题的利器。

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