什么是 Socket 編程？
你好，我是陳子興，是一名老程序員，在音視頻實(shí)時通訊行業(yè)有著十多年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。在接下來的幾個月里，我會和你一起學(xué)習(xí) Socket 編程相關(guān)技術(shù)。Socket 編程也叫網(wǎng)絡(luò)編程，是針對接入網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備進(jìn)行編程，從而滿足人們學(xué)習(xí)、工作、生活的需要。我們后續(xù)會開發(fā)一個 nwchecker 程序，目的是檢查網(wǎng)絡(luò)的連通性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下：
如圖中描述，nwchecker 是一個 C/S 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，基本功能就是 Client 定時發(fā)出 ping 請求，Server 收到 ping 請求后回復(fù) pong 響應(yīng)，Client 能夠收到服務(wù)器的 pong 響應(yīng)，證明網(wǎng)絡(luò)狀況是良好的。Client 和 Server 的結(jié)構(gòu)是對稱的，分為 4 層：nwchecker 應(yīng)用層、TCP 層、IP 層、Ethernet 層。nwchecker 定義的是應(yīng)用層協(xié)議，即 ping/pong；TCP 是傳輸層，通過端口號標(biāo)識一個服務(wù)；IP 層代表一個網(wǎng)絡(luò)主機(jī)，通過 IP 地址來尋址；Ethernet 是以太網(wǎng)層，通過 MAC 地址來局域網(wǎng)尋址。關(guān)于這些技術(shù)概念，本專欄會一一講到。
在這幾十年里，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)給整個世界帶來了難以想象的變化，真是說不完道不盡啊。從最早只能透過玻璃窗才能看到連接起來的神秘計(jì)算機(jī)到今天人手一部手機(jī)，你可以隨時上網(wǎng)娛樂、購物、交易。尤其是近年來移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們的吃、穿、住、用、行已經(jīng)完全離不開手機(jī)了。你有沒有因?yàn)槭謾C(jī)沒電而吃不上飯的經(jīng)歷呢？不管你在意還是不在意，網(wǎng)絡(luò)就在你身邊，如影隨形。想象一下，現(xiàn)代社會如果沒有網(wǎng)絡(luò)又會是什么狀況呢？
網(wǎng)絡(luò)的重要性毋庸置疑，那么是否每個程序員都需要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)編程呢？就作者本人的工作經(jīng)歷來看，不管你的工作是否和網(wǎng)絡(luò)傳輸直接相關(guān)，最好還是認(rèn)真學(xué)習(xí)一下網(wǎng)絡(luò)編程。如果你有條件，最好研究一個或者多個網(wǎng)絡(luò)中間件，比如 ACE，libuv 等。接下來，我就談一下自己的經(jīng)歷和感受吧。
為什么要學(xué)習(xí) Socket 編程？
我是 2006 年畢業(yè)以后進(jìn)入華為接入網(wǎng)產(chǎn)品線，從事的是接入網(wǎng)軟件開發(fā)。在校招面試的時候，面試官考察了 OSI 模型、TCP/IP 參考模型、TCP 三次握手等相關(guān)知識。后來在擔(dān)任 team leader 期間也參加過很多次面試，面試題自然少不了網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的知識。比如，TCP 的 TIME_WAIT 狀態(tài)是怎么產(chǎn)生的，有什么影響？epoll 的基本工作原理是什么？
其實(shí)在華為的這段時間內(nèi)，工作內(nèi)容可以說是和網(wǎng)絡(luò)編程沒有直接關(guān)系。我是在一個基礎(chǔ)平臺之上做控制協(xié)議開發(fā)，只需要調(diào)用別人提供的 API 即可，并看不到 socket、listen 等 API 調(diào)用。然而軟件本身是 C/S 架構(gòu)，經(jīng)常遇到收不到消息的問題，如何分析解決此類問題呢？這就需要一定的網(wǎng)絡(luò)知識，需要會使用一些網(wǎng)絡(luò)分析工具，用以判定網(wǎng)絡(luò)是否連通、是否有丟包等。
我接觸的第一個跨平臺網(wǎng)絡(luò)層中間件是 ACE，它是通過 C++ 語言實(shí)現(xiàn)的。ACE 針對網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了面向?qū)ο蟪橄蠛头庋b，不僅大量應(yīng)用了工廠模式、單例模式、代理模式等常用的設(shè)計(jì)模式，而且針對網(wǎng)絡(luò)事件提出了特有的 Reactor 模式和 Proactor 模式，充分體現(xiàn)了依賴倒轉(zhuǎn)原則。后來分析過 Linux 內(nèi)核 2.6.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，不僅加深了自己對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的理解，而且學(xué)習(xí)到了很多設(shè)計(jì)思想。比如，我在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中借助了 Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 sk_buff 的設(shè)計(jì)思想解決數(shù)據(jù)包共享的問題。
學(xué)習(xí)完 ACE 和 Linux 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧以后，發(fā)現(xiàn)分析 libuv、Nginx 等源碼會輕松很多。這些開源網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)思想基本是類似的，比如大家都通過 Reactor 模型來實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動機(jī)制。我好像是掌握了內(nèi)功心法一樣，發(fā)現(xiàn)多數(shù)開源組件的實(shí)現(xiàn)是套路相同、招式不同。
總體來講，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)編程不單單是學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)知識，更重要的是要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中間件的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)思路，這會增加你的技術(shù)深度，使你更容易做出正確的方案選擇和技術(shù)決策。
怎樣學(xué)習(xí) Socket 編程？
首先，我會和你一起學(xué)習(xí) TCP/IP 參考模型中提出的主要協(xié)議，比如 TCP 和 UDP。學(xué)好這些協(xié)議，只是看書是完全不夠的，需要動手實(shí)踐。tcpdump 和 wireshark 是我們最好的老師，在分析協(xié)議工作原理的時候，我會和你一起通過 wireshark 抓包，一步一步分析相關(guān)協(xié)議格式，搞清楚協(xié)議的基本工作原理。
其次，我們主要學(xué)習(xí) BSD Socket API，像 linux、Mac OS 等 UNIX-Like 系統(tǒng)都是采用 BSD Socket API。Windows 系統(tǒng)的 winsock1 也是采用 BSD Socket API。當(dāng)然 Windows 系統(tǒng)的 winsock2 是 Windows 風(fēng)格的 API，本專欄不會涉及。只要我們學(xué)好了 BSD Socket API，回頭學(xué)習(xí) winsock2 會容易很多。我會編寫一些小程序來講解這些 Socket API 具體用法。Socket API 的返回值是非常重要的，不同的返回值往往意味著發(fā)生了不同的網(wǎng)絡(luò)狀況，要想編寫健壯的網(wǎng)絡(luò)程序，必須仔細(xì)處理這些返回值。
最后，我們一定要熟練應(yīng)用 tcpdump 和 wireshark 這兩個抓包工具。同時，要學(xué)會應(yīng)用 ipconfig、netstat、nload 等網(wǎng)絡(luò)工具。
所謂學(xué)以致用嘛，我們最后一起開發(fā)一個網(wǎng)絡(luò)檢測工具，可以檢測網(wǎng)絡(luò)帶寬、延遲、抖動、丟包等技術(shù)指標(biāo)。開發(fā)這個工具一定要采用事件驅(qū)動的 I/O 模型，讓我們的小程序有一種高大上的現(xiàn)代感。
Socket 編程要學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容？
專欄分為介紹篇、基礎(chǔ)理論篇、Socket 編程基礎(chǔ)篇、Socket 編程高級篇、總結(jié)篇，一共是五個部分。每個篇章包含的內(nèi)容，可以概覽下圖。
后記
工欲善其事必先利其器。學(xué)習(xí) Socket 編程一定是少不了做實(shí)驗(yàn)，所以需要準(zhǔn)備一個 linux 環(huán)境，可以安裝自己喜歡的發(fā)行版。如果你是第一次用 Linux，推薦你用 Ubuntu 最新版?？梢栽谧约旱碾娔X通過 VMware 虛擬機(jī)虛擬一臺 Linux。
另外需要在 Windows 上安裝 wireshark，這是一個非常便于協(xié)議分析的圖形化工具。在 Linux 上使用 tcpdump 即可，這是系統(tǒng)自帶的工具，適合抓包和進(jìn)行簡單的文本化分析。
在學(xué)習(xí) Socket 編程的過程中，涉及到協(xié)議格式、工作原理，我會做實(shí)驗(yàn)抓包分析。希望你能像我一樣動起來，親自去做實(shí)驗(yàn)分析，這樣會理解的更透，記憶的更牢。
那就讓我們一起努力吧！