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linux一切皆檔案之tcp socket描述符（三）

阿新 • • 發佈：2018-11-20

一、知識準備

1、在linux中，一切皆為檔案，所有不同種類的型別都被抽象成檔案（比如：塊裝置，socket套接字，pipe佇列）
2、操作這些不同的型別就像操作檔案一樣，比如增刪改查等


二、環境準備

元件 版本
OS CentOS Linux release 7.5.1804


三、tcp socket 檔案描述符

● 當我們建立一條TCP連線時，在linux作業系統中會建立一個socket檔案描述符
● 通過檔案描述符就能找到socket的幾本資訊，比如TCP四元組（client-ip:client-port --> server-ip:server-port

）

先準備2個指令碼：
server.py主要用於建立客戶端的連線請求，並且接收客戶端傳來的資料，然後將收到的資料回傳給客戶端
client.py每隔1秒向服務端傳送一次'hello world'

server.py

import socket

server_addr = ('127.0.0.1' , 22222)
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.bind(server_addr)
sock.listen(5)

while True:
    conn, clientAddr = sock.accept()
    while True:
        data = conn.recv(100)
        conn.sendall(data)
        
sock.close()

client.py

import socket
import time

server_addr = ('127.0.0.1' , 22222)

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect(server_addr)

while True:
    message = 'hello world!'
    sock.send(message)
    sock.recv(100)
    time.sleep(1)

sock.close()


分別啟動server.py與client.py

[root
 
[email protected] ~]# python /tmp/server.py  &
[1] 14199
[[email protected] ~]# python /tmp/client.py  &
[2] 14202

檢視server.py開啟的檔案描述符

[[email protected] ~]# ls -l /proc/14199/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Nov  7 07:42 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov  7 07:42 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov  7 07:42 2 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov  7 07:42 3 -> socket:[99154]
lrwx------ 1 root root 64 Nov  7 07:42 4 -> socket:[99155]
[[email protected] ~]# lsof -n | grep -E '99154|99155'
python    14199         root    3u     IPv4              99154       0t0        TCP 127.0.0.1:22222 (LISTEN)
python    14199         root    4u     IPv4              99155       0t0        TCP 127.0.0.1:22222->127.0.0.1:56946 (ESTABLISHED)

我們主要關注ESTABLISHED狀態的socket描述符，也就是4 -> socket:[99155]

[[email protected] fd]# more /proc/net/tcp
  sl  local_address rem_address   st tx_queue rx_queue tr tm->when retrnsmt   uid  timeout inode
  ...
   4: 0100007F:56CE 0100007F:DE72 01 00000000:00000000 00:00000000 00000000     0        0 99155 1 ffff90d8bb0145c0 20 4 31 10 -1

程序打開了tcp socket 描述符4 -> socket:[99155]，socket描述符指向記憶體中的socket結構體，該結構體詳細描述了這個socket的詳細資訊

最重要的是TCP四元組（local_ip:local_port --> remote_ip:remote_port），拆分轉換成10進位制

0100007F:56CE

[[email protected] ~]# ((d=0x01))
[[email protected] ~]# ((c=0x00))
[[email protected] ~]# ((b=0x00))
[[email protected] ~]# ((a=0x7F))
[[email protected] ~]# ((e=0x56CE))
[[email protected] ~]# echo "$a.$b.$c.$d:$e"
127.0.0.1:22222

0100007F:DE72

[[email protected] ~]# ((d=0x01))
[[email protected] ~]# ((c=0x00))
[[email protected] ~]# ((b=0x00))
[[email protected] ~]# ((a=0x7F))
[[email protected] ~]# ((e=0xDE72))
[[email protected] ~]# echo "$a.$b.$c.$d:$e"
127.0.0.1:56946

在/proc/net/tcp包含了tcp連線的重要狀態資訊：
00000000:00000000 ： 傳送佇列與接收佇列 （正數第四個欄位）
-1 ： 慢啟動門限 （倒數第一個欄位）
10 ： 擁塞視窗 （倒數第二個欄位）

這裡面還有很多描述：比如慢啟動門限、傳輸佇列以及接收佇列、視窗探查等TCP相關的重要引數都可以查詢到，具體的大家可以去看下《TCP/IP詳解卷》

client.py也存在同樣的行為：

[[email protected] ~]# ls -l /proc/14202/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 19 04:43 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 19 04:43 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 19 04:43 2 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 19 04:43 3 -> socket:[28728]
[[email protected] ~]# lsof -n | grep 28728
python    14202         root    3u     IPv4              28728       0t0        TCP 127.0.0.1:56946->127.0.0.1:22222 (ESTABLISHED)
[[email protected] fd]# more /proc/net/tcp
  sl  local_address rem_address   st tx_queue rx_queue tr tm->when retrnsmt   uid  timeout inode
  ...
3: 0100007F:C31A 0100007F:DE72 01 00000000:00000000 00:00000000 00000000     0        0 28728 3 ffff8a74ba1a0f80 20 4 30 10 -1

0100007F:56CE

[[email protected] ~]# ((d=0x01))
[[email protected] ~]# ((c=0x00))
[[email protected] ~]# ((b=0x00))
[[email protected] ~]# ((a=0x7F))
[[email protected] ~]# ((e=0x56CE))
[[email protected] ~]# echo "$a.$b.$c.$d:$e"
127.0.0.1:22222

0100007F:DE72

[[email protected] ~]# ((d=0x01))
[[email protected] ~]# ((c=0x00))
[[email protected] ~]# ((b=0x00))
[[email protected] ~]# ((a=0x7F))
[[email protected] ~]# ((e=0xDE72))
[[email protected] ~]# echo "$a.$b.$c.$d:$e"
127.0.0.1:56946

總結一下：
● server.py與client.py各自開啟tcp socket 描述符，該描述符指向記憶體中的socket結構體
● socket結構體描述了關於TCP的所有資訊，其中通過TCP 4元組找到對端的通訊節點
● socket將使用者資料以及自身結構資料封裝完成之後會交給底層的TCP協議，然後是IP協議、鏈路層資訊，最後通過物理鏈路到達對端
● 對端也會依次解包，直至將傳送端資料寫入到指定的記憶體當中，最終由應用程式讀取（本文中的server.py或client.py）

                        client.py                         server.py
                        +---------------+                 +---------------+
                        |pid:14202      |                 |pid:14199      |
                        |    +-----+    |                 |    +-----+    |
                        |    |fd:3 |    |                 |    |fd:4 |    |
                        |    +-----+    |                 |    +-----+    |
                        +---------------+                 +---------------+
                                |                                 |
             user space         |                                 |
             +---------------------------------------------------------------------+
             kernel space       |                                 |
                                |                                 |
                                v                                 v
                         +------+-------+                  +------+-------+
                         |socket:[28728]|                  |socket:[99155]|
                         +------+-------+                  +------+-------+
                                |                                 |
                                |                                 |
                                v                                 v
                           +----+----+                       +----+----+
                           | socket  |                       | socket  |
                           +----+----+                       +----+----+
                                |                                 |
                                |                                 |
                                v                                 v
                               ++---------------------------------+-
                               |                tcp                |
                               +------------------------------------


四、小結

● TCP連線中最重要的是TCP四元組，而程序開啟TCP socket描述符可以找到四元組資訊，從而確定雙方的IP和port
● 通過socket檔案描述符可以找到記憶體中的socket結構體，獲取到TCP連線的詳細資訊，包括必備四元組、檔案的inode、時間、出隊入隊狀態等等
● 1個程序可以建立多個TCP連線，也就是建立多個socket檔案描述符，這由該程序能夠開啟的檔案數量限制（ulimit -n）

五、參考資料

http://www.cs.colostate.edu/~gersch/cs457/CS457_tutorial2.pdf
https://gist.github.com/jkstill/5095725


至此，本文結束
在下才疏學淺，有撒湯漏水的，請各位不吝賜教...

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