Golang网络编程-套接字(socket)篇
作者：尹正杰
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一.网络概述
1>.什么是协议
从应用的角度出发，协议可理解为“规则”，是数据传输和数据的解释的规则。假设，A、B双方欲传输文件。规定： 第一次，传输文件名，接收方接收到文件名，应答OK给传输方； 第二次，发送文件的尺寸，接收方接收到该数据再次应答一个OK； 第三次，传输文件内容。同样，接收方接收数据完成后应答OK表示文件内容接收成功。 由此，无论A、B之间传递何种文件，都是通过三次数据传输来完成。A、B之间形成了一个最简单的数据传输规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。 这种仅在A、B之间被遵守的协议称之为原始协议。 当此协议被更多的人采用，不断的增加、改进、维护、完善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议，被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。最早的ftp协议就是由此衍生而来。 典型协议: 应用层: 常见的协议有HTTP协议，FTP协议。 HTTP超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol）是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。 FTP文件传输协议（File Transfer Protocol） 传输层: 常见协议有TCP/UDP协议。 TCP传输控制协议（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。 UDP用户数据报协议（User Datagram Protocol）是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。 网络层: 常见协议有IP协议、ICMP协议、IGMP协议。 IP协议是因特网互联协议（Internet Protocol） ICMP协议是Internet控制报文协议（Internet Control Message Protocol）它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。 IGMP协议是 Internet 组管理协议（Internet Group Management Protocol），是因特网协议家族中的一个组播协议。该协议运行在主机和组播路由器之间。 链路层: 常见协议有ARP协议、RARP协议。 ARP协议是正向地址解析协议（Address Resolution Protocol），通过已知的IP，寻找对应主机的MAC地址。 RARP是反向地址转换协议，通过MAC地址确定IP地址。
2>.什么是socket
Socket，英文含义是【插座、插孔】，一般称之为套接字，用于描述IP地址和端口。可以实现不同程序间的数据通信。 Socket起源于Unix，而Unix基本哲学之一就是"一切皆文件"，都可以用"打开open –> 读写write/read –> 关闭close"模式来操作。
Socket就是该模式的一个实现，网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。
Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用：Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。 在TCP/IP协议中，"IP地址+TCP或UDP端口号"唯一标识网络通讯中的一个进程。"IP地址+端口号"就对应一个socket。
欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。 常用的Socket类型有两种： 流式Socket(SOCK_STREAM):。 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(SOCK_DGRAM): 数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。 温馨提示: 套接字的内核实现较为复杂，不宜在学习初期深入学习，了解到如下结构足矣。
3>.网络应用程序设计模式
C/S模式 传统的网络应用设计模式，客户机(client)/服务器(server)模式。需要在通讯两端各自部署客户机和服务器来完成数据通信。 优点: 1>.客户端位于目标主机上可以保证性能，将数据缓存至客户端本地，从而提高数据传输效率。 2>.一般来说客户端和服务器程序由一个开发团队创作，所以他们之间所采用的协议相对灵活。可以在标准协议的基础上根据需求裁剪及定制。例如，腾讯所采用的通信协议，即为ftp协议的修改剪裁版。 因此，传统的网络应用程序及较大型的网络应用程序都首选C/S模式进行开发。如知名的网络游戏魔兽世界。3D画面，数据量庞大，使用C/S模式可以提前在本地进行大量数据的缓存处理，从而提高观感。 缺点: 1>.由于客户端和服务器都需要有一个开发团队来完成开发。工作量将成倍提升，开发周期较长。
2>.从用户角度出发，需要将客户端安装至用户主机上，对用户主机的安全性构成威胁。这也是很多用户不愿使用C/S模式应用程序的重要原因。 B/S模式 浏览器(Browser)/服务器(Server)模式。只需在一端部署服务器，而另外一端使用每台PC都默认配置的浏览器即可完成数据的传输。 优点: 1>.B/S模式相比C/S模式而言，由于它没有独立的客户端，使用标准浏览器作为客户端，其工作开发量较小。只需开发服务器端即可。
2>.另外由于其采用浏览器显示数据，因此移植性非常好，不受平台限制。如早期的偷菜游戏，在各个平台上都可以完美运行。 缺点: 1>.B/S模式的缺点也较明显。由于使用第三方浏览器，因此网络应用支持受限。
2>.没有客户端放到对方主机上，缓存数据不尽如人意，从而传输数据量受到限制。应用的观感大打折扣。
3>.必须与浏览器一样，采用标准http协议进行通信，协议选择不灵活。
综上所述,在开发过程中，模式的选择由上述各自的特点决定。根据实际需求选择应用程序设计模式。
4>.博主推荐阅读
计算机网络基础之网络拓扑介绍: https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/p/11846279.html 计算机网络基础之OSI参考模型(理论上的标准): https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/p/11846473.html 计算机网络基础之网络设备: https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/p/11853809.html 计算机网络基础之TCP/IP 协议栈(事实上的标准): https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/p/11854107.html 计算机网络基础之IP地址详解: https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/p/11854562.html
二.TCP的socket编程实战案例
1>.简单C/S模型通信
package main import ( "fmt" "net" ) func main() { /** 使用Listen函数创建监听socket,其函数签名如下: func Listen(network, address string) (Listener, error) 以下是对函数签名的参数说明: network: 指定服务端socket的协议,如tcp/udp,注意是小写字母哟~ address: 指定服务端监听的IP地址和端口号,如果不指定地址默认监听当前服务器所有IP地址哟~ */ socket, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:8888") if err != nil { fmt.Println("开启监听失败,错误原因: ", err) return } defer socket.Close() fmt.Println("开启监听...") for { /** 等待客户端连接请求 */ conn, err := socket.Accept() if err != nil { fmt.Println("建立链接失败,错误原因: ", err) return } defer conn.Close() fmt.Println("建立链接成功,客户端地址是: ", conn.RemoteAddr()) /** 接收客户端数据 */ buf := make([]byte, 1024) conn.Read(buf) fmt.Printf("读取到客户端的数据为: %s ", string(buf)) /** 发送数据给客户端 */ tmp := "Blog地址:[https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/]" conn.Write([]byte(tmp)) } }
package main import ( "fmt" "net" ) func main() { /** 使用Dial函数链接服务端,其函数签名如下所示: func Dial(network, address string) (Conn, error) 以下是对函数签名的各参数说明: network: 指定客户端socket的协议,如tcp/udp,该协议应该和需要链接服务端的协议一致哟~ address: 指定客户端需要链接服务端的socket信息,即指定服务端的IP地址和端口 */ conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8888") if err != nil { fmt.Println("连接服务端出错,错误原因: ", err) return } defer conn.Close() fmt.Println("与服务端连接建立成功...") /** 给服务端发送数据 */ conn.Write([]byte("服务端,请问博客地址的URL是多少呢?")) /** 获取服务器的应答 */ var buf = make([]byte, 1024) conn.Read(buf) fmt.Printf("从服务端获取到的数据为:%s ", string(buf)) }
package main import ( "fmt" "net" "strconv" ) func main() { /** 使用Listen函数创建监听socket,其函数签名如下: func Listen(network, address string) (Listener, error) 以下是对函数签名的参数说明: network: 指定服务端socket的协议,如tcp/udp,注意是小写字母哟~ address: 指定服务端监听的IP地址和端口号,如果不指定地址默认监听当前服务器所有IP地址哟~ */ socket, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:8888") if err != nil { fmt.Println("开启监听失败,错误原因: ", err) return } defer socket.Close() fmt.Println("开启监听...") for { /** 等待客户端连接请求 */ conn, err := socket.Accept() if err != nil { fmt.Println("建立链接失败,错误原因: ", err) return } defer conn.Close() fmt.Println("建立链接成功,客户端地址是: ", conn.RemoteAddr()) /** 分两次接收客户端数据: 第一次最终接收数据的长度; 第二次根据第一次接受的长度，创建容量大小; */ tmp := make([]byte, 2) conn.Read(tmp) dataLength, err := strconv.Atoi(string(tmp)) //把字节切片转换成整型 if err != nil { fmt.Println("获取数据长度失败: ", err) return } fmt.Println("获取到的数据长度是: ", dataLength) conn.Write([]byte("已获取到数据长度")) /** 开始读取数据 */ buf := make([]byte, dataLength) conn.Read(buf) fmt.Printf("读取到客户端的数据为: %s ", string(buf)) /** 发送数据给客户端 */ data := "Blog地址:[https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/]" conn.Write([]byte(data)) } }
package main import ( "fmt" "net" "strconv" ) func main() { /** 使用Dial函数链接服务端,其函数签名如下所示: func Dial(network, address string) (Conn, error) 以下是对函数签名的各参数说明: network: 指定客户端socket的协议,如tcp/udp,该协议应该和需要链接服务端的协议一致哟~ address: 指定客户端需要链接服务端的socket信息,即指定服务端的IP地址和端口 */ conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8888") if err != nil { fmt.Println("连接服务端出错,错误原因: ", err) return } defer conn.Close() fmt.Println("与服务端连接建立成功...") /** 定义需要发送的数据,第一次给服务端发送要发的长度 */ data := []byte("服务端,请问博客地址的URL是多少呢?") lenData := len(data) /** 给服务端发送数据的长度 */ conn.Write([]byte(strconv.Itoa(lenData))) /** 获取服务器的应答 */ var buf = make([]byte, 1024) conn.Read(buf) fmt.Printf("从服务端获取到的数据为:%s ", string(buf)) /** 第二次给服务器发送数据 */ conn.Write(data) conn.Read(buf) fmt.Printf("获取到的数据为:%s ", string(buf)) }
2>.并发C/S模型通信
package main import ( "fmt" "net" "strings" ) func HandleConn(conn net.Conn) { //函数调用完毕，自动关闭conn defer conn.Close() //获取客户端的网络地址信息 addr := conn.RemoteAddr().String() fmt.Println(addr, " conncet sucessful") buf := make([]byte, 2048) for { //读取用户数据 n, err := conn.Read(buf) if err != nil { fmt.Println("err = ", err) return } fmt.Printf("[%s]: %s ", addr, string(buf[:n])) fmt.Println("len = ", len(string(buf[:n]))) //if "exit" == string(buf[:n-1]) { // nc测试，发送时，只有 if "exit" == string(buf[:n-2]) { // 自己写的客户端测试, 发送时，多了2个字符, " " fmt.Println(addr, " exit") return } //把数据转换为大写，再给用户发送 conn.Write([]byte(strings.ToUpper(string(buf[:n])))) } } func main() { /** 使用Listen函数创建监听socket,其函数签名如下: func Listen(network, address string) (Listener, error) 以下是对函数签名的参数说明: network: 指定服务端socket的协议,如tcp/udp,注意是小写字母哟~ address: 指定服务端监听的IP地址和端口号,如果不指定地址默认监听当前服务器所有IP地址哟~ */ socket, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:8888") if err != nil { fmt.Println("开启监听失败,错误原因: ", err) return } defer socket.Close() fmt.Println("开启监听...") //接收多个用户 for { /** 等待客户端连接请求 */ conn, err := socket.Accept() if err != nil { fmt.Println("建立链接失败,错误原因: ", err) return } //处理用户请求, 新建一个go程 go HandleConn(conn) } }
package main import ( "fmt" "net" "strconv" ) func main() { /** 使用Dial函数链接服务端,其函数签名如下所示: func Dial(network, address string) (Conn, error) 以下是对函数签名的各参数说明: network: 指定客户端socket的协议,如tcp/udp,该协议应该和需要链接服务端的协议一致哟~ address: 指定客户端需要链接服务端的socket信息,即指定服务端的IP地址和端口 */ conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8888") if err != nil { fmt.Println("连接服务端出错,错误原因: ", err) return } defer conn.Close() fmt.Println("与服务端连接建立成功...") /** 定义需要发送的数据,第一次给服务端发送要发的长度 */ data := []byte("服务端,请问博客地址的URL是多少呢?") lenData := len(data) /** 给服务端发送数据的长度 */ conn.Write([]byte(strconv.Itoa(lenData))) /** 获取服务器的应答 */ var buf = make([]byte, 1024) conn.Read(buf) fmt.Printf("从服务端获取到的数据为:%s ", string(buf)) /** 第二次给服务器发送数据 */ conn.Write(data) conn.Read(buf) fmt.Printf("获取到的数据为:%s ", string(buf)) }
三.UDP的socket编程实战案例
1>.UDP与TCP的差异概述
TCP和UDP的主要区别如下:
1>.TCP是面向连接,UDP是面向无连接
TCP在建立/端口连接时分别要进行三次握手/四次断开,所以我们说TCP是可靠的连接,而说UDP是不可靠的连接;
2>.TCP是流式传输,可能会出现"粘包"问题,UDP是数据报传输，UDP可能会出现"丢包"问题
"粘包"问题可以通过发送数据包的长度解决
"丢包"问题可以通过每一个数据报添加标识位
3>.TCP要求系统资源较多,UDP要求系统资源较少
TCP需要创建连接再进行通信，所以效率要比UDP慢
4>.TCP程序结构较复杂,UDP程序结构较简单
5>.TCP可以保证数据的准确性，而UDP则不保证数据的准确性
应用场景:
TCP的应用场景:
比如文件传输，重要数据传输等。
UDP的应用常见:
比如打电话，直播等.
2>.简单C/S模型通信
package main import ( "fmt" "net" ) func main() { /** 创建监听的地址，并且指定udp协议 */ udp_addr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "127.0.0.1:9999") if err != nil { fmt.Println("获取监听地址失败,错误原因: ", err) return } /** 创建数据通信socket */ conn, err := net.ListenUDP("udp", udp_addr) if err != nil { fmt.Println("开启UDP监听失败,错误原因: ", err) return } defer conn.Close() fmt.Println("开启监听...") buf := make([]byte, 1024) /** 通过ReadFromUDP可以读取数据，可以返回如下三个参数: dataLength: 数据的长度 raddr: 远程的客户端地址 err: 错误信息 */ dataLength, raddr, err := conn.ReadFromUDP(buf) if err != nil { fmt.Println("获取客户端传递数据失败,错误原因: ", err) return } fmt.Println("获取到客户端的数据为: ", string(buf[:dataLength])) /** 写回数据 */ conn.WriteToUDP([]byte("服务端已经收到数据啦~"), raddr) }
package main import ( "fmt" "net" ) func main() { /** 使用Dial函数链接服务端,其函数签名如下所示: func Dial(network, address string) (Conn, error) 以下是对函数签名的各参数说明: network: 指定客户端socket的协议,如tcp/udp,该协议应该和需要链接服务端的协议一致哟~ address: 指定客户端需要链接服务端的socket信息,即指定服务端的IP地址和端口 */ conn, err := net.Dial("udp", "127.0.0.1:9999") if err != nil { fmt.Println("连接服务端出错,错误原因: ", err) return } defer conn.Close() fmt.Println("与服务端连接建立成功...") /** 给服务端发送数据 */ conn.Write([]byte("Hi,My name is Jason Yin.")) /** 读取服务端返回的数据 */ tmp := make([]byte, 1024) n, _ := conn.Read(tmp) fmt.Println("获取到服务器返回的数据为: ", string(tmp[:n])) }