手机上的APP是如何与服务器通信的
文章转自本人公众号:机械猿,本人之前在四川某汽轮机从事结构强度设计,目前在阿里巴巴淘宝事业部担任高级开发工程师,有机械工程同行想转行IT,或者有想入职BAT的可以找我内推~
絮叨
讲解CS通信之前,先大致了解一下我们平时手机通话的流程。语音信号经过脉冲采样变成数字信号,通过手机GSM模块发送无线信号至基站进入无线接入网,根据对方手机号查询数据库后通过骨干路由器转入核心网,一连串中转之后发送到对端所属的小区,找一条空闲线路接通对方。
网络通信类似,但是也有不同,电话信号只能维持一条连接,而一个服务端可以维持多条连接,像双十一淘宝OceanBase就达到了一千万QPS的并发量。
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基础知识
了解APP通信首先要了解socket的含义。Socket是一种进程通信方式,可用于多主机之间的通信,IP地址(对应主机)和端口(对应进程)就确定了一个socket,类似于电话的插座。下面我们来实现一个基础网络示例:客户端从标准输入读取文本,发送给服务器;服务器接收后原文返回给客户端,客户端输出到标准输出。
注:标准输入STDIN位于 /dev/stdin ,一般为键盘输入,fd为0;标准输出STDOUT位于/dev/stdout,一般为终端显示器,fd为1;标准错误 STDERR位于/dev/stderr,fd为2。
TCP客户/服务端程序基本流程如下:
服务端处理流程
服务端程序如下:
#include<sys/socket.h> /* basic socket definitions */
int main(int argc, char **argv)
{int listenfd,connfd;pid_t childpid;socklen_t clilen;struct sockaddr_incliaddr, servaddr;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0); //创建套接字,监听端口bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr =htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); //绑定本机地址Listen(listenfd, LISTENQ); //监听for ( ; ; ) {clilen = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (structsockaddr *) &cliaddr, &clilen); //阻塞等待客户端SYN报文if ( (childpid = Fork()) == 0) { /* fork一个子进程专门处理接入的客户端 */Close(listenfd); /* 子进程关闭监听端口 */str_echo(connfd); /* 子进程发送请求 */exit(0);}Close(connfd); /* 父进程关闭连接端口 */}
}
下面分析一下服务端状态机流程:
服务端创建一个监听套接字并绑定本机知名端口(如80、8080http端口),本机地址设置为INADDR_ANY是为了任何本地接口的连接都接收,一般为多网卡的场景。之后服务端阻塞在accpt调用,使用fork为每个客户端专门分配一个子进程,父进程继续监听接入的客户端。
对于已连接的客户端,使用str_echo读入客户端发送过来的数据,并直接返回回去。
void str_echo(intsockfd)
{ssize_t n;char buf[MAXLINE];again:while ( (n = read(sockfd, buf, MAXLINE))> 0) //从标准输入读取数据Writen(sockfd, buf, n); //发送至服务端// while循环退出说明接收到FIN包,客户端完成了数据发送if (n < 0 && errno == EINTR)goto again; //被信号打断,继续读取else if (n < 0)err_sys("str_echo: readerror"); //遇到其他错误结束运行
}
客户端处理流程
下面给出客户端处理状态机(省略部分socket异常处理):
str_cli处理逻辑如下:
void str_cli(FILE* fp, int sockfd)
{charsendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) !=NULL) { //从fp读入数据Writen(sockfd, sendline,strlen(sendline)); //发送给服务器if (Readline(sockfd, recvline,MAXLINE) == 0) //接收服务器发送过来的数据err_quit("str_cli:server terminated prematurely"); //如果为0,说明服务端已关闭连接fputs(recvline, stdout); //将接收到的数据输出到终端} //文件读取结束时fgets返回NULL,while退出
}
运行客户端/服务端程序
服务器启动后,在客户端连接之前,使用netstat -a检查主机监听套接字状态如下:
Proto Local Address Foreign Address State
TCP *:9877 *:* LISTEN
来启动客户端并指定服务器地址127.0.0.1(本地环回地址),客户端在connect函数中完成TCP三次握手流程,之后服务端从accept中返回,一条数据通道建立。
服务端这边握手流程较为复杂,用简图表示如下:
连接建立后,客户端阻塞于fgets等待接收键盘输入,服务端进程从accept返回后调用fork创建一个子进程专门负责这条连接,父进程继续阻塞在accept上监听新客户端的到来。此时,三个进程都阻塞:客户端进程、服务器父进程、服务器子进程。
注1:一个程序不等于一个进程,像淘宝,除了主进程进行各种数据处理外,还有push进程作为维持客户端和服务器的长连接通信,用于发送心跳包和推送消息。
注2:建立连接时,客户端阻塞在connect上,收到服务器的SYN/ACK报文即返回,而服务器需要收到ACK报文才返回,两边阻塞时间差了半个RTT。
使用netstat -a观察现在连接情况:
Proto Local Address Foreign Address State
TCP localhost:9877 localhost:47512 ESTABLISHED //服务器
TCP localhost:47512 localhost:9877 ESTABLISHED //客户端
TCP *:9877 *:* LISTEN //服务器父进程
可以看到双方socket已处于ESTABLISHED状态,接下来客户端可以和服务器进行数据收发。当客户端输入EOF字符(按下Control+Z表示终止输入)时,fgets返回空指针,客户端数据处理函数str_cli返回,客户端main函数调用exit终止进程。进程终止会关闭所有打开的文件描述符,因此客户端会发送FIN报文给服务器,服务器子进程回应ACK后也调用exit函数关闭文件描述符,发送FIN报文。
这里除了通过TCP四次挥手正常终止连接,还可以发送信号kill -9 pid终止进程。信号的处理后续剖析~
上述程序对服务器主机崩溃、主机重启、主机关机及客户端主机崩溃等异常情况都做了保护,这也是我们平时写需要注意程序健壮性的地方。
最后厚着脸皮推广一下自己的公众号:机械猿,有机械工程同行想转行IT,或者有想入职BAT的可以找我内推~
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