无解的游戏

socket网络编程概述

wxvirus2022年6月20日
大约 11 分钟

概述

编写的网络应用程序以Socket API来实现，变成语言虽然各不相同，但系统调用 API 完全一致，可以通过Strace工具跟踪系统调用。

操作系统以系统调用Socket API网络接口提供给引用层的程序。

  • 数据链路层/ARP/RAPP：主要完成 IP 地址和物理 MAC 地址转换

    ARP 请求：数据链路层接收到上层传递进来的数据，首先先拿到 IP，再使用 ARP 程序发起一个请求，它会把对方 IP 和自己的 IP，自己的物理地址 MAC 进行封装，封装后发送出去。

    ARP 响应：网络上的主机接收到 ARP 请求时，会判断 IP 是不是自己，然后进行响应，把自己的 IP，MAC 发送给对方(网卡来发送)

    然后再把数据，MAC 地址进行封装为数据帧frame：目的物理地址、源物理地址、数据。。。

    MAC 物理地址一般存储再网卡的存储器里。

  • 网络层 IP、ICMP：主要就是数据的选路和转发

    ICMP：网络运维人员经常使用ping,iptables等配置

    接收数据时：它会进行判断，数据是不是发给自己的，

    • 如果是发给自己的，会传递到传输层，最终传递到应用层的某个具体进程【进程具有读写能力(接收数据和发送数据)】
    • 如果不是发给自己时：它会进行转发

    发送数据时：它会进行封装为 IP 数据包，发送到传输层

  • 传输层

    TCP/UPD

    TCP: 基于流Stream的服务，字节流；特点：要进行连接才能通信，必须是全双工(双方都连接响应成功)，有序的、可靠的(有超时重传)。应用程序在收发数据时，需要自己去判断数据的边界，因为它像水一样没有边界【会涉及到数据粘包、少包的问题】

    UDP：数据报服务，传输数据是固定的，但是不可靠的，发送方发送一次，接收方必须及时接收，否则数据丢弃

  • 应用层在实现的时候是调用下层提供的接口，准确来说是使用操作系统提供的使用函数：socket api；应用层在实现的时候，编程语言各不相同，写法也不一样，但是底层调用的函数是一样的。

    • 应用层的数据经过层层封装，经过 TCP 协议层封装时为TCP报文段，经过网络层变成IP数据段，到达数据链路层变成数据帧frame；

    • 接收数据的时候同样要经过每一层的处理

​

使用命令来观察报文

可以使用tcpdump来抓包来查看数据经过 TCP 封装的报文观察

服务端代码案例：

<?php

// 创建有一个socket文件描述符
$server = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 绑定ip和端口
socket_bind($server, "0.0.0.0", 1234);
// 监听内核等待队列5个
if (socket_listen($server, 5)) {
    fprintf(STDOUT, "listen ok: on 1234");
}

// 阻塞接收客户端连接
$connfd = socket_accept($server);

// 数据读写
echo "recv: ".socket_read($connfd, 128);
echo "write len: ".socket_write($connfd, "hi", 2);

socket_close($server);
socket_close($connfd);

客户端代码：

<?php

$client = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);


if (socket_connect($client, "127.0.0.1", "1234")) {
    echo "write len:".socket_write($client, "client", 5);
    echo "recv from server1: ".socket_read($client, 128);
}

socket_close($client);

我们将服务代码运行起来：php server1.php

[root@jb51 process]# php server1.php
listen ok: on 1234

使用命令：netstat -luntp来查看监听的端口

root@jb51 process]# netstat -luntp
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
tcp        0      0 0.0.0.0:1234            0.0.0.0:*               LISTEN
6828/php

使用tcpdump命令来监听

[root@jb51 process]# tcpdump -X -AAA -i eth0 port 1234
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
  • eth0是网卡，可以通过ifconfig去查看

最后我们在客户端执行客户端代码

[root@jb51 process]# /usr/bin/php client1.php
write len:5recv from server1: hi

服务端响应内容：

[root@jb51 process]# php server1.php
listen ok: on 1234recv: clienwrite len: 2

tcpdump监听报文内容

[root@jb51 process]# tcpdump -X -AAA -i eth0 port 1234
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
21:31:54.825669 IP jb51.net.http > 103.142.100.9.search-agent: Flags [S.], seq 2011740119, ack 1598462250, win 29200, options [mss 1460,nop,nop,sackOK], length 0
        0x0000:  4500 0030 0000 4000 4006 552d 0a00 1004  E..0..@.@.U-....
        0x0010:  678e 6409 0050 04d2 77e8 b7d7 5f46 992a  g.d..P..w..._F.*
        0x0020:  7012 7210 fe10 0000 0204 05b4 0101 0402  p.r.............
21:32:03.025658 IP jb51.net.http > 103.142.100.9.search-agent: Flags [S.], seq 2011740119, ack 1598462250, win 29200, options [mss 1460,nop,nop,sackOK], length 0
        0x0000:  4500 0030 0000 4000 4006 552d 0a00 1004  E..0..@.@.U-....
        0x0010:  678e 6409 0050 04d2 77e8 b7d7 5f46 992a  g.d..P..w..._F.*
        0x0020:  7012 7210 fe10 0000 0204 05b4 0101 0402  p.r.............
21:32:19.025689 IP jb51.net.http > 103.142.100.9.search-agent: Flags [S.], seq 2011740119, ack 1598462250, win 29200, options [mss 1460,nop,nop,sackOK], length 0
        0x0000:  4500 0030 0000 4000 4006 552d 0a00 1004  E..0..@.@.U-....
        0x0010:  678e 6409 0050 04d2 77e8 b7d7 5f46 992a  g.d..P..w..._F.*
        0x0020:  7012 7210 fe10 0000 0204 05b4 0101 0402  p.r.............
  • eth0 监听这个网卡
  • Ethernet 以太网数据帧
  • 21:31:54：当前时间
  • IP 后面是客户端 IP
  • 103.142.100.9.search-agent: hostnamectl里的对应的你这台主机
  • Flags [S.]：TCP 报文的一个标志，S：SYN，是一个同步报文，可以认为是一个连接报文
  • seq 2011740119：ISN 序号值
IP jb51.net.http > 103.142.100.9.search-agent: Flags [S.], seq 2011740119, ack 1598462250, win 29200, options [mss 1460,nop,nop,sackOK], length 0

下面一个

IP jb51.net.http > 103.142.100.9.search-agent: Flags [S.], seq 2011740119, ack 1598462250, win 29200, options [mss 1460,nop,nop,sackOK], length 0

上面的先暂时放下，因为遇到了一个问题：

关于抓取不到包的问题

eth0是一般用于以太网的接口，lo是指本地回环接口，第一次使用没有抓不到准确的数据包的原因是：本地回环不经过以太网卡，所以现在换成使用-i lo来抓取本地回环数据

现在我重新换了一个1235的端口

查看追踪结果
[root@jb51 process]# tcpdump -X -AAA -i lo port 1235
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on lo, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
22:23:41.475469 IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [S], seq 714256101, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4174891569 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
        0x0000:  4500 003c 64d4 4000 4006 d7e5 7f00 0001  E..<d.@.@.......
        0x0010:  7f00 0001 bf62 04d3 2a92 aee5 0000 0000  .....b..*.......
        0x0020:  a002 aaaa fe30 0000 0204 ffd7 0402 080a  .....0..........
        0x0030:  f8d7 ca31 0000 0000 0103 0307            ...1........
22:23:41.475494 IP VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1 > VM-16-4-centos.48994: Flags [S.], seq 877540770, ack 714256102, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4174891569 ecr 4174891569,nop,wscale 7], length 0
        0x0000:  4500 003c 0000 4000 4006 3cba 7f00 0001  E..<..@.@.<.....
        0x0010:  7f00 0001 04d3 bf62 344e 35a2 2a92 aee6  .......b4N5.*...
        0x0020:  a012 aaaa fe30 0000 0204 ffd7 0402 080a  .....0..........
        0x0030:  f8d7 ca31 f8d7 ca31 0103 0307            ...1...1....
22:23:41.475512 IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [.], ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891569 ecr 4174891569], length 0
        0x0000:  4500 0034 64d5 4000 4006 d7ec 7f00 0001  E..4d.@.@.......
        0x0010:  7f00 0001 bf62 04d3 2a92 aee6 344e 35a3  .....b..*...4N5.
        0x0020:  8010 0156 fe28 0000 0101 080a f8d7 ca31  ...V.(.........1
        0x0030:  f8d7 ca31                                ...1
22:23:41.476100 IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [P.], seq 1:6, ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891570 ecr 4174891569], length 5
        0x0000:  4500 0039 64d6 4000 4006 d7e6 7f00 0001  E..9d.@.@.......
        0x0010:  7f00 0001 bf62 04d3 2a92 aee6 344e 35a3  .....b..*...4N5.
        0x0020:  8018 0156 fe2d 0000 0101 080a f8d7 ca32  ...V.-.........2
        0x0030:  f8d7 ca31 636c 6965 6e                   ...1clien
22:23:41.476157 IP VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1 > VM-16-4-centos.48994: Flags [.], ack 6, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891570 ecr 4174891570], length 0
        0x0000:  4500 0034 ff92 4000 4006 3d2f 7f00 0001  E..4..@.@.=/....
        0x0010:  7f00 0001 04d3 bf62 344e 35a3 2a92 aeeb  .......b4N5.*...
        0x0020:  8010 0156 fe28 0000 0101 080a f8d7 ca32  ...V.(.........2
        0x0030:  f8d7 ca32                                ...2
22:23:41.476198 IP VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1 > VM-16-4-centos.48994: Flags [P.], seq 1:3, ack 6, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891570 ecr 4174891570], length 2
        0x0000:  4500 0036 ff93 4000 4006 3d2c 7f00 0001  E..6..@.@.=,....
        0x0010:  7f00 0001 04d3 bf62 344e 35a3 2a92 aeeb  .......b4N5.*...
        0x0020:  8018 0156 fe2a 0000 0101 080a f8d7 ca32  ...V.*.........2
        0x0030:  f8d7 ca32 6869                           ...2hi
22:23:41.476237 IP VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1 > VM-16-4-centos.48994: Flags [F.], seq 3, ack 6, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891570 ecr 4174891570], length 0
        0x0000:  4500 0034 ff94 4000 4006 3d2d 7f00 0001  E..4..@.@.=-....
        0x0010:  7f00 0001 04d3 bf62 344e 35a5 2a92 aeeb  .......b4N5.*...
        0x0020:  8011 0156 fe28 0000 0101 080a f8d7 ca32  ...V.(.........2
        0x0030:  f8d7 ca32                                ...2
22:23:41.482154 IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [.], ack 3, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891576 ecr 4174891570], length 0
        0x0000:  4500 0034 64d7 4000 4006 d7ea 7f00 0001  E..4d.@.@.......
        0x0010:  7f00 0001 bf62 04d3 2a92 aeeb 344e 35a5  .....b..*...4N5.
        0x0020:  8010 0156 fe28 0000 0101 080a f8d7 ca38  ...V.(.........8
        0x0030:  f8d7 ca32                                ...2
22:23:41.482203 IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [F.], seq 6, ack 4, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891576 ecr 4174891570], length 0
        0x0000:  4500 0034 64d8 4000 4006 d7e9 7f00 0001  E..4d.@.@.......
        0x0010:  7f00 0001 bf62 04d3 2a92 aeeb 344e 35a6  .....b..*...4N5.
        0x0020:  8011 0156 fe28 0000 0101 080a f8d7 ca38  ...V.(.........8
        0x0030:  f8d7 ca32                                ...2
22:23:41.482222 IP VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1 > VM-16-4-centos.48994: Flags [.], ack 7, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891576 ecr 4174891576], length 0
        0x0000:  4500 0034 ff95 4000 4006 3d2c 7f00 0001  E..4..@.@.=,....
        0x0010:  7f00 0001 04d3 bf62 344e 35a6 2a92 aeec  .......b4N5.*...
        0x0020:  8010 0156 fe28 0000 0101 080a f8d7 ca38  ...V.(.........8
        0x0030:  f8d7 ca38                                ...8

TCP 三次握手

简单分析：

含有 SYN 的标志称为同步报文

IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [S], seq 714256101

这个时候标志多了[S.]，此时的ack比上面的seq多了 1，这个就是确认报文

IP VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1 > VM-16-4-centos.48994: Flags [S.], seq 877540770, ack 714256102

这个是客户端的响应，标志没有了，这里有一个ack 1，也是确认报文，这里的ack 1 = 877540770+1的

IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [.], ack 1

三次握手

P 标志的意义提示尽快的去接收数据

IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [P.], seq 1:6, ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 4174891570 ecr 4174891569], length 5

服务端主动关闭：FIN标志：结束报文

IP VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1 > VM-16-4-centos.48994: Flags [F.], seq 3, ack 6

客户端使用ack确认报文，并没有彻底关闭

IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [.], ack 3

客户端再使用FIN结束报文再发起一次确认

IP VM-16-4-centos.48994 > VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1: Flags [F.], seq 6, ack 4

服务端最终确认关闭

IP VM-16-4-centos.mosaicsyssvc1 > VM-16-4-centos.48994: Flags [.], ack 7

关闭

服务端调用listen函数处于LISTEN状态

客户端调用connect函数发送SYN同步报文处于SYN_SENT

服务端使用ACK确认报文来进行确认，双方处于连接ESTABLEISH状态

下面双方就可以收发数据了，上面就是 TCP 三次握手的具体细节了。

切换语言来观察系统调用的函数是否一致

server1.py

import socket

s = socket.socket()
host = "0.0.0.0"
port = 1235
s.bind((host, port), )

s.listen(5)

while True:
        c, addr = s.accept()
        print("连接地址: ", addr)
        c.send("nihao!")
        c.close()

对比

总结

所以综上所述呢，不管啥编程语言，底层调用的系统函数完全一致，只是各个语法不一样。

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