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Go Socket 编程

Socket 编程

Socket是BSD UNIX的进程通信机制，通常也称作”套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。Socket可以理解为TCP/IP网络的API，它定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。电脑上运行的应用程序通常通过”套接字”向网络发出请求或者应答网络请求。

Socket 图解

image.png

  • Socket又称“套接字”，应用程序通常通过“套接字”向网络发出请求或者应答网络请求
  • 常用的Socket类型有两种：流式Socket和数据报式Socket，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，针对于无连接的UDP服务应用
    • TCP：比较靠谱，面向连接，比较慢
    • UDP：不是太靠谱，比较快

TCP 编程

TCP服务端程序的处理流程：

1.监听端口
2.接收客户端请求建立链接
3.创建goroutine处理链接。

Server 端

我们使用Go语言的net包实现的TCP服务端代码如下：

// tcp/server/main.go

// TCP server端

// 处理函数
func process(conn net.Conn) {
    defer conn.Close() // 关闭连接
    for {
        reader := bufio.NewReader(conn)
        var buf [128]byte
        n, err := reader.Read(buf[:]) // 读取数据
        if err != nil {
            fmt.Println("read from client failed, err:", err)
            break
        }
        recvStr := string(buf[:n])
        fmt.Println("收到client端发来的数据：", recvStr)
        conn.Write([]byte(recvStr)) // 发送数据
    }}

func main() {
    listen, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:20000")
    if err != nil {
        fmt.Println("listen failed, err:", err)
        return
    }
    for {
        conn, err := listen.Accept() // 建立连接
        if err != nil {
            fmt.Println("accept failed, err:", err)
            continue
        }
        go process(conn) // 启动一个goroutine处理连接
    }
}

客户端

一个TCP客户端进行TCP通信的流程如下：

1.建立与服务端的链接
2.进行数据收发
3.关闭链接

使用Go语言的net包实现的TCP客户端代码如下：

// tcp/client/main.go

// 客户端
func main() {
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:20000")
    if err != nil {
        fmt.Println("err :", err)
        return
    }
    defer conn.Close() // 关闭连接
    inputReader := bufio.NewReader(os.Stdin)
    for {
        input, _ := inputReader.ReadString('\n') // 读取用户输入
        inputInfo := strings.Trim(input, "\r\n")
        if strings.ToUpper(inputInfo) == "Q" { // 如果输入q就退出
            return
        }
        _, err = conn.Write([]byte(inputInfo)) // 发送数据
        if err != nil {
            return
        }
        buf := [512]byte{}
        n, err := conn.Read(buf[:])
        if err != nil {
            fmt.Println("recv failed, err:", err)
            return
        }
        fmt.Println(string(buf[:n]))
    }
}

UDP 编程

UDP 服务端

// UDP/server/main.go

// UDP server端
func main() {
    listen, err := net.ListenUDP("udp", &net.UDPAddr{
        IP:   net.IPv4(0, 0, 0, 0),
        Port: 30000,
    })
    if err != nil {
        fmt.Println("listen failed, err:", err)
        return
    }
    defer listen.Close()
    for {
        var data [1024]byte
        n, addr, err := listen.ReadFromUDP(data[:]) // 接收数据
        if err != nil {
            fmt.Println("read udp failed, err:", err)
            continue
        }
        fmt.Printf("data:%v addr:%v count:%v\n", string(data[:n]), addr, n)
        _, err = listen.WriteToUDP(data[:n], addr) // 发送数据
        if err != nil {
            fmt.Println("write to udp failed, err:", err)
            continue
        }
    }
}

UDP 客户端

// UDP 客户端
func main() {
    socket, err := net.DialUDP("udp", nil, &net.UDPAddr{
        IP:   net.IPv4(0, 0, 0, 0),
        Port: 30000,
    })
    if err != nil {
        fmt.Println("连接服务端失败，err:", err)
        return
    }
    defer socket.Close()
    sendData := []byte("Hello server")
    _, err = socket.Write(sendData) // 发送数据
    if err != nil {
        fmt.Println("发送数据失败，err:", err)
        return
    }
    data := make([]byte, 4096)
    n, remoteAddr, err := socket.ReadFromUDP(data) // 接收数据
    if err != nil {
        fmt.Println("接收数据失败，err:", err)
        return
    }
    fmt.Printf("recv:%v addr:%v count:%v\n", string(data[:n]), remoteAddr, n)
}

TCP 粘包

服务端代码

// socket_stick/server/main.go

func process(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    reader := bufio.NewReader(conn)
    var buf [1024]byte
    for {
        n, err := reader.Read(buf[:])
        if err == io.EOF {
            break
        }
        if err != nil {
            fmt.Println("read from client failed, err:", err)
            break
        }
        recvStr := string(buf[:n])
        fmt.Println("收到client发来的数据：", recvStr)
    }
}

func main() {

    listen, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:30000")
    if err != nil {
        fmt.Println("listen failed, err:", err)
        return
    }
    defer listen.Close()
    for {
        conn, err := listen.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("accept failed, err:", err)
            continue
        }
        go process(conn)
    }
}

客户端代码

// socket_stick/client/main.go

func main() {
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:30000")
    if err != nil {
        fmt.Println("dial failed, err", err)
        return
    }
    defer conn.Close()
    for i := 0; i < 20; i++ {
        msg := `Hello, Hello. How are you?`
        conn.Write([]byte(msg))
    }
}

运行出现粘包

将上面的代码保存后，分别编译。先启动服务端再启动客户端，可以看到服务端输出结果如下：

收到client发来的数据： Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?
收到client发来的数据： Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?
收到client发来的数据： Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?
收到client发来的数据： Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?
收到client发来的数据： Hello, Hello. How are you?Hello, Hello. How are you?

客户端分10次发送的数据，在服务端并没有成功的输出10次，而是多条数据“粘”到了一起。

为什么出现粘包

主要原因就是tcp数据传递模式是流模式，在保持长连接的时候可以进行多次的收和发。
“粘包”可发生在发送端也可发生在接收端：

1.由Nagle算法造成的发送端的粘包：Nagle算法是一种改善网络传输效率的算法。简单来说就是当我们提交一段数据给TCP发送时，TCP并不立刻发送此段数据，而是等待一小段时间看看在等待期间是否还有要发送的数据，若有则会一次把这两段数据发送出去。
2.接收端接收不及时造成的接收端粘包：TCP会把接收到的数据存在自己的缓冲区中，然后通知应用层取数据。当应用层由于某些原因不能及时的把TCP的数据取出来，就会造成TCP缓冲区中存放了几段数据。

解决方法

出现”粘包”的关键在于接收方不确定将要传输的数据包的大小，因此我们可以对数据包进行封包和拆包的操作。

封包：封包就是给一段数据加上包头，这样一来数据包就分为包头和包体两部分内容了(过滤非法包时封包会加入”包尾”内容)。包头部分的长度是固定的，并且它存储了包体的长度，根据包头长度固定以及包头中含有包体长度的变量就能正确的拆分出一个完整的数据包。

我们可以自己定义一个协议，比如数据包的前4个字节为包头，里面存储的是发送的数据的长度。

// socket_stick/proto/proto.go
package proto

import (
    "bufio"
    "bytes"
    "encoding/binary"
)

// Encode 将消息编码
func Encode(message string) ([]byte, error) {
    // 读取消息的长度，转换成int32类型（占4个字节）
    var length = int32(len(message))
    var pkg = new(bytes.Buffer)
    // 写入消息头
    err := binary.Write(pkg, binary.LittleEndian, length)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    // 写入消息实体
    err = binary.Write(pkg, binary.LittleEndian, []byte(message))
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return pkg.Bytes(), nil
}

// Decode 解码消息
func Decode(reader *bufio.Reader) (string, error) {
    // 读取消息的长度
    lengthByte, _ := reader.Peek(4) // 读取前4个字节的数据
    lengthBuff := bytes.NewBuffer(lengthByte)
    var length int32
    err := binary.Read(lengthBuff, binary.LittleEndian, &length)
    if err != nil {
        return "", err
    }
    // Buffered返回缓冲中现有的可读取的字节数。
    if int32(reader.Buffered()) < length+4 {
        return "", err
    }

    // 读取真正的消息数据
    pack := make([]byte, int(4+length))
    _, err = reader.Read(pack)
    if err != nil {
        return "", err
    }
    return string(pack[4:]), nil
}

接下来在服务端和客户端分别使用上面定义的proto包的Decode和Encode函数处理数据。

服务端代码如下：

// socket_stick/server2/main.go

func process(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    reader := bufio.NewReader(conn)
    for {
        msg, err := proto.Decode(reader)
        if err == io.EOF {
            return
        }
        if err != nil {
            fmt.Println("decode msg failed, err:", err)
            return
        }
        fmt.Println("收到client发来的数据：", msg)
    }
}

func main() {

    listen, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:30000")
    if err != nil {
        fmt.Println("listen failed, err:", err)
        return
    }
    defer listen.Close()
    for {
        conn, err := listen.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("accept failed, err:", err)
            continue
        }
        go process(conn)
    }
}

客户端代码如下：

// socket_stick/client2/main.go

func main() {
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:30000")
    if err != nil {
        fmt.Println("dial failed, err", err)
        return
    }
    defer conn.Close()
    for i := 0; i < 20; i++ {
        msg := `Hello, Hello. How are you?`
        data, err := proto.Encode(msg)
        if err != nil {
            fmt.Println("encode msg failed, err:", err)
            return
        }
        conn.Write(data)
    }
}

使用 Go 实现 TLS socket server

TLS socket server

package main

import (
    "crypto/tls"
    "flag"
    "io"
    "log"
    "net"
)

func main() {
    port := flag.String("port", "8360", "listening port")
    certFile := flag.String("cert", "cert.pem", "certificate PEM file")
    keyFile := flag.String("key", "key.pem", "key PEM file")
    flag.Parse()

    cert, err := tls.LoadX509KeyPair(*certFile, *keyFile)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    config := &tls.Config{Certificates: []tls.Certificate{cert}}
    log.Printf("listening on port %s\n", *port)

    l, err := tls.Listen("tcp", ":"+*port, config)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    defer l.Close()

    for {
        conn, err := l.Accept()
        if err != nil {
            log.Fatal(err)
        }
        log.Printf("accepted connection from %s\n", conn.RemoteAddr())
        go func(c net.Conn) {
            io.Copy(c, c)
            c.Close()
            log.Printf("closing connection from %s\n", conn.RemoteAddr())
        }(conn)
    }
}

这个服务端程序接受来自多个客户端并发请求，并向客户端发送的所有的镜像数据。和非TLS服务相比，这里用 tls.Listen 替换了 net.Listen，同时需要提供一个可用的 tls.Config，我们可以使用 mkcert 命令来生成证书和密钥对文件。

TLS socket client

package main

import (
    "crypto/tls"
    "crypto/x509"
    "flag"
    "fmt"
    "io"
    "log"
    "os"
)

func main() {
    port := flag.String("port", "8360", "port to connect")
    certFile := flag.String("certfile", "cert.pem", "trusted CA certificate")
    flag.Parse()

    cert, err := os.ReadFile(*certFile)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    certPool := x509.NewCertPool()
    if ok := certPool.AppendCertsFromPEM(cert); !ok {
        log.Fatalf("unable to parse cert from %s", *certFile)
    }

    config := &tls.Config{RootCAs: certPool}

    conn, err := tls.Dial("tcp", "localhost:"+*port, config)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    _, err = io.WriteString(conn, "Hello simple secure Server\n")
    if err != nil {
        log.Fatal("client write error:", err)
    }

    if err = conn.CloseWrite(); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    buf := make([]byte, 256)
    n, err := conn.Read(buf)
    if err != nil && err != io.EOF {
        log.Fatal(err)
    }

    fmt.Println("client read:", string(buf[:n]))
    conn.Close()
}

和非 TLS 客户端相比，我们同样也只是把 net.Dial 换成 tls.Dial, tls.Config 中填写的证书可以选择权威 ca 颁发的证书，也可以使用自签名证书。

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