今天給大家介紹下一些網(wǎng)絡(luò)編程方面的需要掌握的基礎(chǔ)知識:

網(wǎng)絡(luò)分層模型

先來看一張圖：

osi-tcp-ip.png

從左到右向，分別是：

1. OSI七層模型
2. TCP/IP四層模型
3. 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)部分和內(nèi)核實現(xiàn)部分

這里要認識到的是，我們最常用TCP的網(wǎng)絡(luò)處理部分，都是由內(nèi)核來完成的。

TCP服務(wù)端和客戶端編程模型

TCP連接創(chuàng)建和斷開

TCP創(chuàng)建連接需要三次握手，而斷開連接需要四次揮手，如圖：

tcp-3-4.png

這張圖清晰的說明了連接的建立、數(shù)據(jù)發(fā)送以及斷開連接時所對應(yīng)的編程函數(shù)，另外還有相應(yīng)的TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

服務(wù)端客戶端編程函數(shù)

client-server.png

由此可見，服務(wù)端編程用到的主要函數(shù)為：

1. socket：創(chuàng)建一個socket，返回的文件描述符fd之后用于bind和listen
2. bind：綁定socket和ip+port
3. listen：調(diào)用后，服務(wù)端狀態(tài)變?yōu)?code>LISTEN，可以接收網(wǎng)絡(luò)連接
4. accept：函數(shù)在連接建立后返回一個connfd，對這個文件描述符的讀寫就是在做網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送
5. read：網(wǎng)絡(luò)對端發(fā)送來的數(shù)據(jù)會放到內(nèi)核的接收緩沖區(qū)，read就是從這個緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序
6. write：應(yīng)用程序要發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)對端時，調(diào)用此函數(shù)，會現(xiàn)將數(shù)據(jù)寫到內(nèi)核的發(fā)送緩沖區(qū)中，之后內(nèi)核會負責將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)對端
7. close：關(guān)閉連接

關(guān)于服務(wù)端的用于連接的fd和用于讀寫的fd，請見下圖：

listenfd.png

connfd.png

客戶端編程用到的函數(shù)為：

1. socket：創(chuàng)建一個socket，之后用于連接服務(wù)器，做數(shù)據(jù)讀寫用
2. connect：發(fā)起到服務(wù)端的鏈接，返回時TCP三次握手完成
3. write：同服務(wù)端的write
4. read：同服務(wù)端的read
5. close：關(guān)閉連接

幾個概念

backlog

先附上一個圖：

backlog.png

內(nèi)核中會維護兩個隊列：

1. 未完成連接的隊列： 服務(wù)端收到客戶端的連接請求（SYNC），在三次握手完成前，會放到這個隊列中
2. 完成連接的隊列：完成三次握手后就創(chuàng)建了一個TCP連接，這個連接會放到這個隊列中

linux的man listen中說：

The backlog argument defines the maximum length to which the queue of pending connections for sockfd may grow

我理解，backlog定義了未完成連接的隊列的最大長度

RTT

這個概念常常聽到，請見圖：

rtt.png

RTT的定義是Round-Trip Time，即數(shù)據(jù)包的往返時延

TCP Stream

我們通常說TCP是流式的，這是什么樣的概念呢？

socket-stream.png

對應(yīng)一個TCP連接，內(nèi)核會給這個連接分配一個發(fā)送緩沖和接收緩沖，我們的應(yīng)用程序?qū)@來兩個緩沖區(qū)的讀寫就是在做網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

而數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸是內(nèi)核自己在維護的，當發(fā)送緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)后，內(nèi)核就把這些數(shù)據(jù)發(fā)送給對端；同樣的，當對端有數(shù)據(jù)過來時，內(nèi)核會把它放到接收緩沖區(qū)中，等待應(yīng)用程序的讀寫。

這樣的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的過程，就像水流一樣，所以我們說TCP是流式的。

TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)換

TCP定義了很多狀態(tài)，這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖：

tcp-status.png

這些狀態(tài)都記住有難度，需要時查下就好了。

IO模型

網(wǎng)絡(luò)操作就是IO操作，而且網(wǎng)絡(luò)的IO是最慢的一種了，網(wǎng)絡(luò)編程的很大難點就是妥善的處理好這一塊的問題。

Unix定義了多種IO操作模型，分別是：

1. 阻塞IO
2. 非阻塞IO
3. IO多路復用
4. 信號驅(qū)動IO
5. 異步IO

分別說明如下：

阻塞IO

這里有一點非常重要的概念要先說明下，那就是阻塞的是什么？

io-block.png

首先要記住：數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸完全是內(nèi)核在控制的，應(yīng)用程序中的read和write只是在讀寫接收緩沖和發(fā)送緩沖。

讀阻塞：調(diào)用read時，如果接收緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)，那么就會產(chǎn)生阻塞

寫阻塞：調(diào)用write時，如果發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)沒有發(fā)送出去，那么就會產(chǎn)生阻塞

那么如果沒有產(chǎn)生阻塞，那么兩者的執(zhí)行時間為：

read的執(zhí)行時間為：將內(nèi)核接收緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到用戶空間中的應(yīng)用程序緩沖區(qū)

write的執(zhí)行時間為：將用戶空間中的應(yīng)用程序緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到內(nèi)核的發(fā)送緩沖區(qū)

非阻塞IO

理解了導致阻塞的原因，那么非阻塞就非常好理解了：

io-nonblock.png

當內(nèi)核緩沖區(qū)無法讀寫時，read和write就會返回EWOULDBLOCK，應(yīng)用程序就需要過會兒再來操作。

光是這樣，還不能實現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)程序，這是因為我們無法判斷應(yīng)該什么時間再來做讀寫操作。

如果一直循環(huán)讀寫，那么CPU占用會很居高不下；如果sleep一段時間，那么多長時間合適呢？

所以，如果想開發(fā)高性能的網(wǎng)絡(luò)程序，我們還需要別的武器：

IO多路復用

這是操作系統(tǒng)提供的一種通知機制，告訴應(yīng)用程序何時可以做讀寫操作：

io-multiple.png

不同操作系統(tǒng)提供了不同的編程接口，一個非常有名的庫libevent就是對這些庫的一個統(tǒng)一接口封裝。

IO多路復用也是現(xiàn)在用的最多的一種高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的IO處理模型，例如Nginx

信號驅(qū)動IO

不同于IO多路復用，操作系統(tǒng)用信號的方式告訴應(yīng)用程序何時可以做讀寫操作：

io-signal.png

異步IO

最后這一種我沒有用過，從概念上理解，相當于操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)做完用戶空間和內(nèi)核空間的復制后，才會通知應(yīng)用程序：

io-async.png

結(jié)束語

上面這些，都是筆者編程這些年，覺得非常受用的基礎(chǔ)知識。正確的認識這些知識，很多問題你都可以自己想明白了。

筆者也是在不斷學習中，如果有錯誤的地方，還望指正，我們共同進步，謝謝！

參考

UNIX網(wǎng)絡(luò)編程（卷1）：https://book.douban.com/subject/4859464/

TCP/IP詳解（卷1）：https://book.douban.com/subject/26790659/

Linux/UNIX系統(tǒng)編程手冊：https://book.douban.com/subject/25809330/