如何搭建 Web 服务器(一)

简介:


一天,有一个正在散步的妇人恰好路过一个建筑工地,看到三个正在工作的工人。她问第一个人:“你在做什么?”第一个人没好气地喊道:“你没看到我在砌砖吗?”妇人对这个答案不满意,于是问第二个人:“你在做什么?”第二个人回答说:“我在建一堵砖墙。”说完,他转向第一个人,跟他说:“嗨,你把墙砌过头了。去把刚刚那块砖弄下来!”然而,妇人对这个答案依然不满意,于是又问了第三个人相同的问题。第三个人仰头看着天,对她说:“我在建造世界上最大的教堂。”当他回答时,第一个人和第二个人在为刚刚砌错的砖而争吵。他转向那两个人,说:“不用管那块砖了。这堵墙在室内,它会被水泥填平,没人会看见它的。去砌下一层吧。”

这个故事告诉我们:如果你能够理解整个系统的构造,了解系统的各个部件如何相互结合(如砖、墙还有整个教堂),你就能够更快地定位及修复问题(那块砌错的砖)。

如果你想从头开始创造一个 Web 服务器,那么你需要做些什么呢?

我相信,如果你想成为一个更好的开发者,你必须对日常使用的软件系统的内部结构有更深的理解,包括编程语言、编译器与解释器、数据库及操作系统、Web 服务器及 Web 框架。而且,为了更好更深入地理解这些系统,你必须从头开始,用一砖一瓦来重新构建这个系统。

荀子曾经用这几句话来表达这种思想:

“不闻不若闻之。(I hear and I forget.)”

“闻之不若见之。(I see and I remember.)”

“知之不若行之。(I do and I understand.)”

我希望你现在能够意识到,重新建造一个软件系统来了解它的工作方式是一个好主意。

在这个由三篇文章组成的系列中,我将会教你构建你自己的 Web 服务器。我们开始吧~

先说首要问题:Web 服务器是什么?

简而言之,它是一个运行在一个物理服务器上的网络服务器(啊呀,服务器套服务器),等待客户端向其发送请求。当它接收请求后,会生成一个响应,并回送至客户端。客户端和服务端之间通过 HTTP 协议来实现相互交流。客户端可以是你的浏览器,也可以是使用 HTTP 协议的其它任何软件。

最简单的 Web 服务器实现应该是什么样的呢?这里我给出我的实现。这个例子由 Python 写成,即使你没听说过 Python(它是一门超级容易上手的语言,快去试试看!),你也应该能够从代码及注释中理解其中的理念:

 
  1. import socket 
  2. HOST, PORT = '', 8888 
  3. listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) 
  4. listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) 
  5. listen_socket.bind((HOST, PORT)) 
  6. listen_socket.listen(1) 
  7. print 'Serving HTTP on port %s ...' % PORT 
  8. while True
  9.     client_connection, client_address = listen_socket.accept() 
  10.     request = client_connection.recv(1024) 
  11.     print request 
  12.     http_response = """\ 
  13. HTTP/1.1 200 OK 
  14. Hello, World! 
  15. ""
  16.     client_connection.sendall(http_response) 
  17.     client_connection.close() 

将以上代码保存为 webserver1.py,或者直接从 GitHub 上下载这个文件。然后,在命令行中运行这个程序。像这样:

 
  1. $ python webserver1.py 
  2. Serving HTTP on port 8888 … 

现在,在你的网页浏览器的地址栏中输入 URL:http://localhost:8888/hello ,敲一下回车,然后来见证奇迹。你应该看到“Hello, World!”显示在你的浏览器中,就像下图那样:

说真的,快去试一试。你做实验的时候,我会等着你的。

完成了?不错!现在我们来讨论一下它实际上是怎么工作的。

首先我们从你刚刚输入的 Web 地址开始。它叫 URL,这是它的基本结构:

URL 是一个 Web 服务器的地址,浏览器用这个地址来寻找并连接 Web 服务器,并将上面的内容返回给你。在你的浏览器能够发送 HTTP 请求之前,它需要与 Web 服务器建立一个 TCP 连接。然后会在 TCP 连接中发送 HTTP 请求,并等待服务器返回 HTTP 响应。当你的浏览器收到响应后,就会显示其内容,在上面的例子中,它显示了“Hello, World!”。

我们来进一步探索在发送 HTTP 请求之前,客户端与服务器建立 TCP 连接的过程。为了建立链接,它们使用了所谓“套接字socket”。我们现在不直接使用浏览器发送请求,而在命令行中使用 telnet 来人工模拟这个过程。

在你运行 Web 服务器的电脑上,在命令行中建立一个 telnet 会话,指定一个本地域名,使用端口 8888,然后按下回车:

 
  1. $ telnet localhost 8888 
  2. Trying 127.0.0.1 … 
  3. Connected to localhost. 

这个时候,你已经与运行在你本地主机的服务器建立了一个 TCP 连接。在下图中,你可以看到一个服务器从头开始,到能够建立 TCP 连接的基本过程。

在同一个 telnet 会话中,输入 GET /hello HTTP/1.1,然后输入回车:

 
  1. $ telnet localhost 8888 
  2. Trying 127.0.0.1 … 
  3. Connected to localhost. 
  4. GET /hello HTTP/1.1 
  5. HTTP/1.1 200 OK 
  6. Hello, World! 

你刚刚手动模拟了你的浏览器(的工作)!你发送了 HTTP 请求,并且收到了一个 HTTP 应答。下面是一个 HTTP 请求的基本结构:

HTTP 请求的第一行由三部分组成:HTTP 方法(GET,因为我们想让我们的服务器返回一些内容),以及标明所需页面的路径/hello,还有协议版本。

为了简单一些,我们刚刚构建的 Web 服务器完全忽略了上面的请求内容。你也可以试着输入一些无用内容而不是“GET /hello HTTP/1.1”,但你仍然会收到一个“Hello, World!”响应。

一旦你输入了请求行并敲了回车,客户端就会将请求发送至服务器;服务器读取请求行,就会返回相应的 HTTP 响应。

下面是服务器返回客户端(在上面的例子里是 telnet)的响应内容:

我们来解析它。这个响应由三部分组成:一个状态行 HTTP/1.1 200 OK,后面跟着一个空行,再下面是响应正文。

HTTP 响应的状态行 HTTP/1.1 200 OK 包含了 HTTP 版本号,HTTP 状态码以及 HTTP 状态短语“OK”。当浏览器收到响应后,它会将响应正文显示出来,这也就是为什么你会在浏览器中看到“Hello, World!”。

以上就是 Web 服务器的基本工作模型。总结一下:Web 服务器创建一个处于监听状态的套接字,循环接收新的连接。客户端建立 TCP 连接成功后,会向服务器发送 HTTP 请求,然后服务器会以一个 HTTP 响应做应答,客户端会将 HTTP 的响应内容显示给用户。为了建立 TCP 连接,客户端和服务端均会使用套接字。

现在,你应该了解了 Web 服务器的基本工作方式,你可以使用浏览器或其它 HTTP 客户端进行试验。如果你尝试过、观察过,你应该也能够使用 telnet,人工编写 HTTP 请求,成为一个“人形” HTTP 客户端。

现在留一个小问题:“你要如何在不对程序做任何改动的情况下,在你刚刚搭建起来的 Web 服务器上适配 Django, Flask 或 Pyramid 应用呢?”

我会在本系列的第二部分中来详细讲解。敬请期待。

顺便,我在撰写一本名为《搭个 Web 服务器:从头开始》的书。这本书讲解了如何从头开始编写一个基本的 Web 服务器,里面包含本文中没有的更多细节。订阅邮件列表,你就可以获取到这本书的最新进展,以及发布日期。


作者:Ruslan

来源:51CTO

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