Socket編程實戰
Socket 在英文中的含義為“(連接兩個物品的)凹槽”，像the eye socket，意為“眼窩”，此外還有“插座”的意思。在計算機科學中，socket 通常是指一個連接的兩個端點，這里的連接可以是同一機器上的，像unix domain socket，也可以是不同機器上的，像network socket。
本文著重介紹現在用的最多的 network socket，包括其在網絡模型中的位置、API 的編程范式、常見錯誤等方面，***用 Python 語言中的 socket API 實現幾個實際的例子。Socket 中文一般翻譯為“套接字”，不得不說這是個讓人摸不著頭腦的翻譯，我也沒想到啥“信達雅”的翻譯，所以本文直接用其英文表述。本文中所有代碼均可在 socket.py 倉庫中找到。
概述
Socket 作為一種通用的技術規范，***是由 Berkeley 大學在 1983 為 4.2BSD Unix 提供的，后來逐漸演化為 POSIX 標準。Socket API 是由操作系統提供的一個編程接口，讓應用程序可以控制使用 socket 技術。Unix 哲學中有一條一切皆為文件，所以 socket 和file 的 API 使用很類似：可以進行read、write、open、close等操作。
現在的網絡系統是分層的，理論上有OSI模型，工業界有TCP/IP協議簇。其對比如下：
每層上都有其相應的協議，socket API 不屬于TCP/IP協議簇，只是操作系統提供的一個用于網絡編程的接口，工作在應用層與傳輸層之間：
我們平常瀏覽網站所使用的http協議，收發郵件用的smtp與imap，都是基于 socket API 構建的。
一個 socket，包含兩個必要組成部分：
- 地址，由 ip 與 端口組成，像192.168.0.1:80。
- 協議，socket 所是用的傳輸協議，目前有三種：TCP、UDP、raw IP。
地址與協議可以確定一個socket;一臺機器上，只允許存在一個同樣的socket。TCP 端口 53 的 socket 與 UDP 端口 53 的 socket 是兩個不同的 socket。
根據 socket 傳輸數據方式的不同(使用協議不同)，可以分為以下三種：
- Stream sockets，也稱為“面向連接”的 socket，使用 TCP 協議。實際通信前需要進行連接，傳輸的數據沒有特定的結構，所以高層協議需要自己去界定數據的分隔符，但其優勢是數據是可靠的。
- Datagram sockets，也稱為“無連接”的 socket，使用 UDP 協議。實際通信前不需要連接，一個優勢時 UDP 的數據包自身是可分割的(self-delimiting)，也就是說每個數據包就標示了數據的開始與結束，其劣勢是數據不可靠。
- Raw sockets，通常用在路由器或其他網絡設備中，這種 socket 不經過TCP/IP協議簇中的傳輸層(transport layer)，直接由網絡層(Internet layer)通向應用層(Application layer)，所以這時的數據包就不會包含 tcp 或 udp 頭信息。
Python socket API
Python 里面用(ip, port)的元組來表示 socket 的地址屬性，用AF_*來表示協議類型。
數據通信有兩組動詞可供選擇：send/recv 或 read/write。read/write 方式也是 Java 采用的方式，這里不會對這種方式進行過多的解釋，但是需要注意的是：
read/write 操作的具有 buffer 的“文件”，所以在進行讀寫后需要調用flush方法去真正發送或讀取數據，否則數據會一直停留在緩沖區內。
TCP socket
TCP socket 由于在通向前需要建立連接，所以其模式較 UDP socket 負責些。具體如下：
每個API 的具體含義這里不在贅述，可以查看手冊，這里給出 Python 語言的實現的 echo server。
- # echo_server.py
- # coding=utf8
- import socket
- sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
- # 設置 SO_REUSEADDR 后,可以立即使用 TIME_WAIT 狀態的 socket
- sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
- sock.bind(('', 5500))
- sock.listen(5)
- def handler(client_sock, addr):
- print('new client from %s:%s' % addr)
- msg = client_sock.recv(1024)
- client_sock.send(msg)
- client_sock.close()
- print('client[%s:%s] socket closed' % addr)
- if __name__ == '__main__':
- while 1:
- client_sock, addr = sock.accept()
- handler(client_sock, addr)
- # echo_client.py
- # coding=utf8
- import socket
- sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
- sock.connect(('', 5500))
- sock.send('hello socket world')
- print sock.recv(1024)
上面簡單的echo server 代碼中有一點需要注意的是：server 端的 socket 設置了SO_REUSEADDR為1，目的是可以立即使用處于TIME_WAIT狀態的socket，那么TIME_WAIT又是什么意思呢?后面在講解 tcp 狀態變更圖時再做詳細介紹。
UDP socket
UDP socket server 端代碼在進行bind后，無需調用listen方法。
- # udp_echo_server.py
- # coding=utf8
- import socket
- sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
- # 設置 SO_REUSEADDR 后,可以立即使用 TIME_WAIT 狀態的 socket
- sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
- sock.bind(('', 5500))
- # 沒有調用 listen
- if __name__ == '__main__':
- while 1:
- data, addr = sock.recvfrom(1024)
- print('new client from %s:%s' % addr)
- sock.sendto(data, addr)
- # udp_echo_client.py
- # coding=utf8
- 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()
常見陷阱
忽略返回值
本文中的 echo server 示例因為篇幅限制，也忽略了返回值。網絡通信是個非常復雜的問題，通常無法保障通信雙方的網絡狀態，很有可能在發送/接收數據時失敗或部分失敗。所以有必要對發送/接收函數的返回值進行檢查。本文中的 tcp echo client 發送數據時，正確寫法應該如下：
- 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
send/recv操作的是網絡緩沖區的數據，它們不必處理傳入的所有數據。
一般來說，當網絡緩沖區填滿時，send函數就返回了;當網絡緩沖區被清空時，recv 函數就返回。
當 recv 函數返回0時，意味著對端已經關閉。
可以通過下面的方式設置緩沖區大小。
- s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_SNDBUF, buffer_size)
認為 TCP 具有 framing
TCP 不提供 framing，這使得其很適合于傳輸數據流。這是其與 UDP 的重要區別之一。UDP 是一個面向消息的協議，能保持一條消息在發送者與接受者之間的完備性。
代碼示例參考：framing_assumptions
TCP 的狀態機
在前面echo server 的示例中，提到了TIME_WAIT狀態，為了正式介紹其概念，需要了解下 TCP 從生成到結束的狀態機器。(圖片來源)
這個狀圖轉移圖非常非常關鍵，也比較復雜，我自己為了方便記憶，對這個圖進行了拆解，仔細分析這個圖，可以得出這樣一個結論，連接的打開與關閉都有被動(passive)與主動(active)兩種，主動關閉時，涉及到的狀態轉移最多，包括FIN_WAIT_1、FIN_WAIT_2、CLOSING、TIME_WAIT。
此外，由于 TCP 是可靠的傳輸協議，所以每次發送一個數據包后，都需要得到對方的確認(ACK)，有了上面這兩個知識后，再來看下面的圖：(圖片來源)
- 在主動關閉連接的 socket 調用 close方法的同時，會向被動關閉端發送一個 FIN
- 對端收到FIN后，會向主動關閉端發送ACK進行確認，這時被動關閉端處于 CLOSE_WAIT 狀態
- 當被動關閉端調用close方法進行關閉的同時向主動關閉端發送 FIN 信號，接收到 FIN 的主動關閉端這時就處于 TIME_WAIT 狀態
- 這時主動關閉端不會立刻轉為 CLOSED 狀態，而是需要等待 2MSL(max segment life，一個數據包在網絡傳輸中***的生命周期)，以確保被動關閉端能夠收到***發出的 ACK。如果被動關閉端沒有收到***的 ACK，那么被動關閉端就會重新發送 FIN，所以處于TIME_WAIT的主動關閉端會再次發送一個 ACK 信號，這么一來(FIN來)一回(ACK)，正好是兩個 MSL 的時間。如果等待的時間小于 2MSL，那么新的socket就可以收到之前連接的數據。
前面 echo server 的示例也說明了，處于 TIME_WAIT 并不是說一定不能使用，可以通過設置 socket 的 SO_REUSEADDR 屬性以達到不用等待 2MSL 的時間就可以復用socket 的目的，當然，這僅僅適用于測試環境，正常情況下不要修改這個屬性。
實戰
HTTP UA
http 協議是如今萬維網的基石，可以通過 socket API 來簡單模擬一個瀏覽器(UA)是如何解析 HTTP 協議數據的。
- #coding=utf8
- 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)
運行上面的代碼可以得到下面的輸出
- --------------------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是通過直接調用recv(4096)得到的，萬一真正的返回大于這個值怎么辦?我們前面知道了 TCP 協議是面向流的，它本身并不關心消息的內容，需要應用程序自己去界定消息的邊界，對于應用層的 HTTP 協議來說，有幾種情況，最簡單的一種時通過解析返回值頭部的Content-Length屬性，這樣就知道body的大小了，對于 HTTP 1.1版本，支持Transfer-Encoding: chunked傳輸，對于這種格式，這里不在展開講解，大家只需要知道， TCP 協議本身無法區分消息體就可以了。對這塊感興趣的可以查看 CPython 核心模塊 http.client
Unix_domain_socket
UDS 用于同一機器上不同進程通信的一種機制，其API適用與 network socket 很類似。只是其連接地址為本地文件而已。
代碼示例參考：uds_server.py、uds_client.py
ping
ping 命令作為檢測網絡聯通性最常用的工具，其適用的傳輸協議既不是TCP，也不是 UDP，而是 ICMP，利用 raw sockets，我們可以適用純 Python 代碼來實現其功能。
代碼示例參考：ping.py
netstat vs ss
netstat 與 ss 是類 Unix 系統上查看 Socket 信息的命令。netstat 是比較老牌的命令，我常用的選擇有
- -t，只顯示 tcp 連接
- -u，只顯示 udp 連接
- -n，不用解析hostname，用 IP 顯示主機，可以加快執行速度
- -p，查看連接的進程信息
- -l，只顯示監聽的連接
ss 是新興的命令，其選項和 netstat 差不多，主要區別是能夠進行過濾(通過state與exclude關鍵字)。
- $ 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)
這兩個命令更多用法可以參考：
總結
我們的生活已經離不開網絡，平時的開發也充斥著各種復雜的網絡應用，從最基本的數據庫，到各種分布式系統，不論其應用層怎么復雜，其底層傳輸數據的的協議簇是一致的。Socket 這一概念我們很少直接與其打交道，但是當我們的系統出現問題時，往往是對底層的協議認識不足造成的，希望這篇文章能對大家編程網絡方面的程序有所幫助。
