Golang Socket Program

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socket编程

什么是Socket？

Socket起源于Unix，而Unix基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。

Socket就是该模式的一个实现，网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。S

ocket也具有一个类似于打开文件的函数调用：Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

常用的Socket类型有两种：

  • 流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。
    • 流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；
    • 数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

Socket如何通信?

首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！

在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。

其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题:

  • 网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，
  • 传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。

这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中需要互相通信的进程，就可以利用这个标志在他们之间进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。

就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是为什么说“一切皆Socket”。

Socket基础知识：

Socket有两种：TCP Socket和UDP Socket，TCP和UDP是协议，

而要确定一个进程的需要三元组，需要IP地址和端口。

  • IPv4地址：

    IPv4的地址位数为32位，也就是最多有2的32次方的网络设备可以联到Internet上.

  • IPv6地址：

    IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题，主要有端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。

    地址格式类似这样：2002:c0e8:82e7:0:0:0:c0e8:82e7

Go支持的IP类型

type IP []byte

在net包中有很多函数来操作IP，但是其中比较有用的也就几个，其中ParseIP(s string) IP函数会把一个IPv4或者IPv6的地址转化成IP类型

  • Example: 判断给定的参数是否是一个合法的IP地址：
package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
)

func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr,"Usage: %s ip addr\n",os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }

    name := os.Args[1]
    addr := net.ParseIP(name)
    if addr == nil {
        fmt.Println("Invalid address")
    } else {
        fmt.Println("The address is ",addr.String())
    }
    os.Exit(0)
}

TCP Socket

  • TCPConn类型，这个类型可以用来作为客户端和服务器端交互的通道，他有两个主要的函数：
func (c *TCPConn) Write(b []byte) (n int, err os.Error)
func (c *TCPConn) Read(b []byte) (n int, err os.Error)

TCPConn可以用在客户端和服务器端来读写数据。

  • TCPAddr类型，他表示一个TCP的地址信息，他的定义如下：
type TCPAddr struct {
    IP IP
    Port int
}

函数:ResolveTCPAddr获取一个TCPAddr:

func ResolveTCPAddr(net, addr string) (*TCPAddr, os.Error)
  • net参数是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一个，分别表示TCP(IPv4-only),TCP(IPv6-only)或者TCP(IPv4,IPv6的任意一个)
  • addr表示域名或者IP地址；

TCP client：

net包中的DialTCP函数来建立一个TCP连接，并返回一个TCPConn类型的对象，当连接建立时服务器端也创建一个同类型的对象，此时客户端和服务器端通过各自拥有的TCPConn对象来进行数据交换。

客户端通过TCPConn对象将请求信息发送到服务器端，读取服务器端响应的信息。服务器端读取并解析来自客户端的请求，并返回应答信息，这个连接只有当任一端关闭了连接之后才失效，不然这连接可以一直在使用。建立连接的函数定义如下：

func DialTCP(net string, laddr *TCPAddr) (c *TCPConn, err os.Error)
  • net参数是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一个，分别表示TCP(IPv4-only)、TCP(IPv6-only)或者TCP(IPv4,IPv6的任意一个)
  • laddr表示本机地址，一般设置为nil
  • raddr表示远程的服务地址
package main

import (
    "fmt"
    "io/ioutil"
    "net"
    "os"
)

func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host:port ",os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }
    service := os.Args[1]
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4",service)
    checkError(err)
    conn, err := net.DialTCP("tcp",nil,tcpAddr)
    checkError(err)
    _, err = conn.Write([]byte("HEAD / http/1.0\r\n\r\n"))
    checkError(err)
    result,err := ioutil.ReadAll(conn)
    checkError(err)
    fmt.Println(string(result))
    os.Exit(0)
}

func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr,"Fatal error: %s",err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

TCP server:

通过net包来创建一个服务器端程序，在服务器端我们需要绑定服务到指定的非激活端口，并监听此端口，当有客户端请求到达的时候可以接收到来自客户端连接的请求。net包中有相应功能的函数，函数定义如下：

func ListenTCP(net string, laddr *TCPAddr) (l *TCPListener, err os.Error)
func (l *TCPListener) Accept() (c Conn, err os.Error)

实现一个简单的时间同步服务，监听7777端口:

package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)

func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr,"Fatal error: %s",err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

func main() {
    service := ":7777"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4",service)
    checkError(err)
    listener, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn,err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        daytime := time.Now().String()
        conn.Write([]byte(daytime))  // don't care about return value.
        conn.Close()                // we're finished with this client.
    }
}

上面的代码有个缺点，执行的时候是单任务的，不能同时接收多个请求，那么该如何改造以使它支持多并发呢？

package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)

func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr,"Fatal error: %s",err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

func handleClient(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    daytime := time.Now().String()
    conn.Write([]byte(daytime + "\n"))
}

func main() {
    service := ":1200"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4",service)
    checkError(err)
    listener, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn,err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        go handleClient(conn)
    }
}

通过把业务处理分离到函数handleClient，我们就可以进一步地实现多并发执行了。

  • 如果我们需要通过从客户端发送不同的请求来获取不同的时间格式，而且需要一个长连接，该怎么做呢？
package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "strconv"
    "strings"
    "time"
)

func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

func handleClient(conn net.Conn) {
    conn.SetDeadline(time.Now().Add(2 * time.Minute))   // set 2 minutes timeout
    request := make([]byte,128) // set maxium request length to 128B to prevent flood attack
    defer conn.Close()  // close connection befor exit.

    for {
        read_len, err := conn.Read(request)

        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            break
        }

        if read_len == 0 {
            break // connection already close by client.
        } else if strings.TrimSpace(string(request[:read_len])) == "timestamp" {
            daytime := strconv.FormatInt(time.Now().Unix(),10)
            conn.Write([]byte(daytime))
        } else {
            daytime := time.Now().String()
            conn.Write([]byte(daytime))
        }

        request = make([]byte,128)  // clear last read content
    }
}

func main() {
    service := ":1200"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    listener,err := net.ListenTCP("tcp",tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        go handleClient(conn)
    }
}

使用conn.Read()不断读取客户端发来的请求。由于我们需要保持与客户端的长连接，所以不能在读取完一次请求后就关闭连接。由于conn.SetReadDeadline()设置了超时，当一定时间内客户端无请求发送，conn便会自动关闭，下面的for循环即会因为连接已关闭而跳出。

需要注意的是，request在创建时需要指定一个最大长度以防止flood attack；每次读取到请求处理完毕后，需要清理request，因为conn.Read()会将新读取到的内容append到原内容之后。

控制TCP连接：

TCP有很多连接控制函数，我们平常用到比较多的有如下几个函数：

func DialTimeout(net, addr string, timeout time.Duration) (Conn, error)

设置建立链接的超时时间，客户端和服务器端都适用，当超过设置时间时，连接会自动关闭。

func (c *TCPConn) SetReadDeadline(t time.Time) error
func (c *TCPConn) SetWriteDeadline(t time.Time) error

用来设置写入/读取一个连接的超时时间。当超过设置时间时，连接自动关闭。

func (c *TCPConn) SetKeepAlive(keepalive bool) os.Error

设置keepAlive属性，是操作系统层在tcp上没有数据和ACK的时候，会间隔性的发送keepalive包，操作系统可以通过该包来判断一个tcp连接是否已经断开，在windows上默认2个小时没有收到数据和keepalive包的时候认为tcp连接已经断开，这个功能和我们通常在应用层加的心跳包的功能类似。

UDP Socket：

Go语言包中处理UDP Socket和TCP Socket不同的地方就是在服务器端处理多个客户端请求数据包的方式不同,UDP缺少了对客户端连接请求的Accept函数。

其他基本几乎一模一样，只有TCP换成了UDP而已。

UDP的几个主要函数如下所示：

func ResolveUDPAddr(net, addr string) (*UDPAddr, os.Error)
func DialUDP(net string, laddr, raddr *UDPAddr) (c *UDPConn, err os.Error)
func ListenUDP(net string, laddr *UDPAddr) (c *UDPConn, err os.Error)
func (c *UDPConn) ReadFromUDP(b []byte) (n int, addr *UDPAddr, err os.Error)
func (c *UDPConn) WriteToUDP(b []byte, addr *UDPAddr) (n int, err os.Error)

一个UDP的客户端代码如下所示,我们可以看到不同的就是TCP换成了UDP而已：

package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
)

func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr,"Usage: %s host:port",os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }
    service := os.Args[1]
    udpAddr,err := net.ResolveUDPAddr("udp4",service)
    checkError(err)
    conn,err := net.DialUDP("udp",nil,udpAddr)
    checkError(err)
    _,err = conn.Write([]byte("anything"))
    checkError(err)
    var buf [512]byte
    n, err := conn.Read(buf[0:])
    checkError(err)
    fmt.Println(string(buf[0:n]))
    os.Exit(0)
}
  • UDP服务器端：
package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)

func main() {
    service := ":1200"
    udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp4",service)
    checkError(err)
    conn,err := net.ListenUDP("udp",udpAddr)
    checkError(err)

    for {
        handleClient(conn)
    }
}

func handleClient(conn *net.UDPConn) {
    var buf [512]byte
    _, addr, err := conn.ReadFromUDP(buf[0:])
    if err != nil {
        return
    }
    daytime := time.Now().String()
    conn.WriteToUDP([]byte(daytime),addr)
}

func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr,"Fatal error ",err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}
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