Golang源码分析之net/http(一)Socket及T

这是Golang源码分析之net/http主题的第一篇，我们先来了解一下linux内核网络的基础架构，主要包括Socket以及TCP更深层次的理解

本文代码均为golang 版本：go1.14.13

一、Socket

1、Socket是什么

Socket(套接字)，用来描述IP地址和端口，是通信链的句柄。应用程序可以通过socket向网络发送请求或者应答请求。Socket是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元，是对通信端点的抽象表示，包含进行通信的所必须5种信息：连接使用的协议、本地IP/端口、远端IP/端口。

在应用程序中，socket对应一个描述符；在内核中，它对应一个管理通信过程的对象(socket struct结构) 。在Linux系统内核中，struct socket结构对象不仅封装了管理通信过程的数据信息，而且封装了负责网络通信的功能函数。通过这些接口，应用程序触发系统调用来使用上述功能函数，从而访问网络服务。

不同协议族有不同的套接字，如下图：

SOCK_STREAM，这类套接字采用了TCP协议服务，提供可靠的双工顺序数据流，能保证数据不丢失、不错序。

SOCK_DGRAM，这类套接字采用了UDP协议服务，提供双工数据传送，但不保证数据能可靠地到达。即使数据到达了，也不能保证顺序正确。

对于Web客户/服务器使用INET套接字实现网络通信。

Web服务器的大致工作流程为：首先，创建一个采用TCP协议服务的套接字（SOCK_STREAM套接字），并通过该套接字观察是否有客户连接请求，如果有连接请求，则服务器接收该请求，并建立新的套接字来表示与该客户的连接；然后，服务器通过这个新套接字把主页数据发给客户程序。

Web客户程序的工作流程大致为：首先，创建一个采用TCP协议服务的套接字；然后，通过该套接字向Web服务器发出连接请求（请求中要指定Web服务器的IP地址和端口），如果服务器接收了连接请求，则客户程序通过该套接字获取服务器传来的网页文件，并通过浏览器显示出来；最后，如果准备退出，则客户程序将关闭与服务器的连接

2、TCP协议传输网络数据Socket接口

2.1 服务器程序流程

• socket()

  调用socket函数创建监听套接字（Golang代码）

  func socket(af int32, typ int32, protocol int32) (handle Handle, err error) 
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  参数	含义
  af	协议族，应将INET套接字设置为AF_INET
  typ	套接字的传输类型(SOCK_STREAM，TCP协议服务;SOCK_DGRAM,UDP服务)
  protocol	特定协议，常为0
  返回值	socket 句柄

• bind()

  调用bind函数把监听套接字与某地址绑定

  func bind(s Handle, name unsafe.Pointer, namelen int32) (err error)
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  参数	含义
  s	socket函数返回的套接字描述符
  name	指向内核struct sockaddr的指针，包括协议族、IP、端口等
  namelen	struct sockaddr的大小
  返回值	nil成功

• listen()

  服务器程序调用listen函数来观察本地端口，检查是否有客户程序的连接请求

  func listen(s Handle, backlog int32) (err error)
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  参数	含义
  s	套接字描述符，它是服务器程序建立的用于监听客户连接请求的套接字
  backlog	允许的连接个数。在服务器调用accept函数允许客户连接请求之前，客户需要排队等待

• accept()

  客户程序调用connect函数请求连接服务器。监听到连接请求后，服务器把客户请求插入等待队列，直到调用accept函数允许该请求。这里的accept函数返回一个套接字描述符来标志双方的连接。

  func accept(s int, rsa *RawSockaddrAny, addrlen *_Socklen) (fd int, err error) 
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  参数	含义
  s	监听套接字描述符
  rsa	请求连接的客户地址信息
  addrlen	地址长度
  返回值	fd 返回一个描述符

2.2 客户程序流程

• socket()

  调用socket函数创建套接字；见客户端创建套接字的接口

• connect()

  客户程序调用connect向服务器发起连接请求。如果采用TCP传输协议，函数connect将启动TCP的三次握手过程

  func connect(s Handle, name unsafe.Pointer, namelen int32)(err error)
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  参数	含义
  s	套接字描述符，它是连接请求方的套接字
  name	服务器地址，指向存放对方地址的数据结构struct sockaddr（包括目的端口和IP地址信息）
  namelen	地址解构的长度sockaddr的大小

  以上就是socket提供给客户程序结口，供客户端与服务端进行通信。

二、TCP三次握手

接下来详细学习TCP建立连接的流程。如下图：

在第一章节，学习了使用客户端和服务端是怎么使用socket的，server在创建socket之后，开始阻塞进行监听，是否有客户端进行连接。当有客户端进行TCP连接的时候，开始进行三次握手

我们按照图上的序号顺序进行讲解：

1、第一次握手

① 客户端在connect()之后主动连接服务器，发送SYN，且序列号为x。此时客户端的状态为SYN_SENT

若客户端长时间没有收到 SYN+ACK 报文，则会重发 SYN 包，重发的次数由 tcp_syn_retries 参数控制，内核参数是6次。

通常，第一次超时重传是在 1 秒后，第二次超时重传是在 2 秒，第三次超时重传是在 4 秒后，第四次超时重传是在 8 秒后，第五次是在超时重传 16 秒后，第六次是在超时重传 32秒后。如果仍然服务端没有回应 ACK，客户端就会终止三次握手。

② 服务端收到客户端的请求后，会根据本地半连接队列是否满进行不同的操作。

​ 服务器本地存有一个半连接队列(syn queue)。其大小由底层配置文件决定，可以看到默认是256个

• ​ 半连接队列没满

​ 服务器将该连接的状态设置为SYN_RCVD，并把连接信息放到半连接队列里面

• ​ 半连接队列已满

​ 服务器不会将该连接的状态变为SYN_RCVD，且将该连接丢弃。

SYN flood攻击就是利用这个原理。攻击方的客户端只发送SYN分节给服务器，然后对服务器发回来的SYN+ACK什么也不做，直接忽略掉， 不发送ACK给服务器；这样就可以占据着服务器的半连接队列的资源，导致正常的客户端连接无法连接上服务器。

但是若队列设置的较小，就会有大量的请求都会被丢弃，此时应对的方法是syncookies

syncookies 的工作原理：服务器根据当前状态计算出一个值，放在服务器发出的 SYN+ACK 报文中发出，当客户端返回 ACK 报文时，取出该值验证，如果合法，就认为连接建立成功。

开启 syncookies 功能
syncookies 参数主要有以下三个值：

• 0 值，表示关闭该功能；
• 1 值，表示仅当 SYN 半连接队列放不下时，再启用它；
• 2 值，表示无条件开启功能；

查看机器syncookies的值为1，默认开启syncookies

2、第二次握手

③ 服务器返回SYN y，ACK x+1。ACK表示对客户端请求的应答，新发送SYN的序列号y。客户端的状态从SYN_SENT变为ESTABLISHED

当网络繁忙、不稳定时，报文丢失就会变严重。此时会重发SYN+ACK包

内核参数tcp_synack_retries控制SYN+ACK包重传的次数，默认是5次。

重传会经历 1、2、4、8、16 秒，最后一次重传后会继续等待 32 秒，如果服务端仍然没有收到 ACK，才会关闭连接，故共需要等待 63 秒。

3、第三次握手

④ 客户端发送ACK y+1。表示对服务端的响应。

⑤ 服务端收到客户端的响应之后，按照本地的全连接队列(accept queue)是否满进行处理

​ 全连接队列最大值，系统设置默认值为128。

​ 但全连接的最大值=min(backlog，somaxconn)，这里的backlog是connect的入参。

• 全连接队列没满

服务端接受客户端的ACK，从状态SYN_RCVD变为ESTABLISHED，然后服务器从半连接队列(syn queue)拿出连接放到本地的全连接队列(accept queue)

• 全连接队列已满

服务端收到客户端的ACK，不会改变状态。

根据内核参数tcp_abort_on_overflow 的值执行相应动作

0值表示：如果 accept 队列满了，那么 server 扔掉 client 发过来的 ack

1值表示：如果 accept 队列满了，server 发送一个 RST 包给 client，表示废掉这个握手过程和这个连接，Client会出现(connection reset by peer)错误

注意：connect() 函数在三次握手成功之后会返回成功或者超时失败。

PS : 如何查看服务端accept队列的长度

通过 ss -ltn 查看

-l 显示正在监听的socket

-n 不解析服务的名称

-t 只显示tcp socket

• Recv-Q：当前 accept 队列的大小，也就是当前已完成三次握手并等待服务端 accept() 的 TCP 连接；
• Send-Q：accept 队列最大长度，上面的输出结果说明监听 25 端口的 TCP 服务，accept 队列的最大长度为 100；

​

引用

• TCP网络编程

• TCP三次握手详解-深入浅出

• 基于TCP协议的Socket通信

• TCP参数