Socket的连接过程、TCP的一些参数

前置知识

用到的命令
netstat -natp 查看网络连接和占用的端口
tcpdump -nn -i eth0 port 9090 开监听抓取数据包
lsof -p <进程号>查看某个进程已经打开的文件状态

Socket

服务端代码

package com.bjmashibing.system.io;import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;public class SocketIOPropertites {//server socket listen property: 这些配置不是JVM层级的，是关联到内核的TCP协议栈的一些选项参数。private static final int RECEIVE_BUFFER = 10;private static final int SO_TIMEOUT = 0;  // 服务端的超时时间private static final boolean REUSE_ADDR = false;private static final int BACK_LOG = 2; // 多少个连接可以被积压//client socket listen property on server endpoint:private static final boolean CLI_KEEPALIVE = false;private static final boolean CLI_OOB = false;private static final int CLI_REC_BUF = 20;private static final boolean CLI_REUSE_ADDR = false;private static final int CLI_SEND_BUF = 20;private static final boolean CLI_LINGER = true;private static final int CLI_LINGER_N = 0;private static final int CLI_TIMEOUT = 0;  // 客户端的超时时间private static final boolean CLI_NO_DELAY = false;
/*StandardSocketOptions.TCP_NODELAYStandardSocketOptions.SO_KEEPALIVEStandardSocketOptions.SO_LINGERStandardSocketOptions.SO_RCVBUFStandardSocketOptions.SO_SNDBUFStandardSocketOptions.SO_REUSEADDR*/public static void main(String[] args) {ServerSocket server = null;try {server = new ServerSocket();server.bind(new InetSocketAddress(9090), BACK_LOG);server.setReceiveBufferSize(RECEIVE_BUFFER);server.setReuseAddress(REUSE_ADDR);server.setSoTimeout(SO_TIMEOUT);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("server up use 9090!");try {while (true) {// System.in.read();  //分水岭：Socket client = server.accept();  //阻塞的，没有 -1  一直卡着不动  accept(4,System.out.println("client port: " + client.getPort());client.setKeepAlive(CLI_KEEPALIVE);client.setOOBInline(CLI_OOB);client.setReceiveBufferSize(CLI_REC_BUF);client.setReuseAddress(CLI_REUSE_ADDR);client.setSendBufferSize(CLI_SEND_BUF);client.setSoLinger(CLI_LINGER, CLI_LINGER_N);client.setSoTimeout(CLI_TIMEOUT);client.setTcpNoDelay(CLI_NO_DELAY);//client.read   //阻塞   没有  -1 0new Thread(() -> {try {InputStream in = client.getInputStream();BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));char[] data = new char[1024];while (true) {int num = reader.read(data);if (num > 0) {System.out.println("client read some data is :" + num + " val :" + new String(data, 0, num));} else if (num == 0) {System.out.println("client readed nothing!");continue;} else {System.out.println("client readed -1...");System.in.read();client.close();break;}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}).start();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {try {server.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

客户端代码

package com.bjmashibing.system.io;import java.io.*;
import java.net.Socket;public class SocketClient {public static void main(String[] args) {try {Socket client = new Socket("192.168.150.11",9090);client.setSendBufferSize(20);client.setTcpNoDelay(true);  // 如果数据量比较小，会不会积攒起来再发，默认是trueclient.setOOBInLine(true);OutputStream out = client.getOutputStream();InputStream in = System.in;BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));while(true){String line = reader.readLine();if(line != null ){byte[] bb = line.getBytes();for (byte b : bb) {out.write(b);}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

下面详细跟踪建立连接的过程

启动服务端

开启服务端后，出现了一个对于 9090 的 listen 状态。
TCP 三次握手是走 listen 的，建立连接之后，后面走文件描述符，那就是另外一个环节了，我们后面再讲。

使用jps得到服务端的进程id号：7932

使用lsof -p 7932查看7932端口的文件描述符的分配情况。

启动客户端
客户端启动，进入代码的阻塞等待用户输入逻辑

在服务端抓到了三次握手的包

在服务端看到建立了连接，虽然连接还未被使用。

在客户端进行用户输入之后（服务端也有的阻塞的逻辑，需要回车才能接收client的数据）

继续查看服务端抓包监听

查看服务端的连接状态：双方开辟了资源。即便你程序不要我，我也在内核里有资源用来接收或者等待一类的。

服务端输入回车之后
接受到了客户端发过来的数据

刚才的socket连接已经被分配给7932了

lsof 得到了新的文件描述符 6

总结一下

TCP：面向连接的，可靠的传输协议

Socket：是一个四元组。ip:port ip:port四元组的任何一个元的不同，都可以区分不同的连接。

面试题 1：服务端80端口接收客户端连接之后，是否需要为客户端的连接分配一个随机端口号？
答：不需要。

面试题 2：现在，有一个客户端，有一个服务端，
客户端的ip地址是AIP，程序使用端口号CPORT想要建立连接。
服务端的IP地址是XIP，端口号是XPORT。
现在假设某一个客户端A开了很多连接占满了自己的65535个端口号，那客户端A是否还能与另一个服务端建立建立连接？
答：可以，因为只要能保证四元组唯一即可

注：一台服务器是可以与超过65535个客户端保持长连接的，调优到超过百万连接都没问题，只要四元组唯一就可以了。客户端来了之后，服务端是不需要单独给它开辟一个端口号的。

下面这个图可以说明，无论再多的连接，服务端始终是使用的同一个<ip:端口>

那么，我们常见的报错“端口号被占用”是什么原因？

我们常见的报错“端口号被占用”实际上是在启动SocketSocket的时候，而不是Socket，两者不是一个概念。如果两个服务使用了相同的端口号，这时如果来了一个数据包，内核无法区分是哪一个服务在LISTEN，不知道要发给哪一个服务了，如下图例子

每一个独立的进程只要维护它自己的文件描述符唯一即可。

keepalive

三个不同层级的 keepalive

• TCP协议中规定，如果双方建立的连接（虚无的，并不是物理的连接），如果双方很久都不说话，你能确定对方还活着吗？不能，因为可能突然断电。所以规定了这么一种机制，哪怕是周期性的消耗一些网络资源，也要及时把无效的连接踢掉，节省内存。
• HTTP级别
• 负载均衡keepalived

网络IO的变化 演进模型（BIO）

一句话概括BIO？

BIO就是，客户端来一个连接，抛出一个线程，来一个连接，抛出一个线程…

几个维度

同步、异步、阻塞、非阻塞

用到的命令：

strace -ff -o out /usr/java TestSocket
用来追踪Java程序和内核进行了哪些交互（进行了哪些系统调用）

详细追踪 BIO 的连接过程

TestSocket.java


用JDK1.4跑起来

在服务端用jps找到进程的id号是8384

在服务端使用tail监控out.8384文件的输出（8384是main线程的输出，其他的out可能是一些垃圾回收线程等其他线程的输出）
（这里注意一下一共有8个线程，待会儿建立连接之后再看）

可以看到JVM用到了内核系统调用的accept，main线程正在阻塞

在一个客户端上建立一个连接

在服务端我们看到，刚才阻塞 accept(3, 的位置继续执行。34178是客户端连接进来的随机端口号，192.1618.150.12是来自于客户端的ip地址

clone是linux的一个系统调用。Java当中的一个线程，就是操作系统的一个子线程。下图我们看到，（客户端连接进来之后），服务端调用clone函数，开启了一个线程号为8447的新线程。flags里面记录的是子线程共享的文件系统、打开的文件等父线程的系统资源。
下面又开始阻塞的accept

查看用strace输出的out文件，也可以证明8447这个新线程的存在。

在服务端可以看到，多了一个文件描述符5，表示的是从node01(服务端机器名称)到node02(客户端机器名称)的已连通的状态（socket四元组）

服务端 8447.out 正在recv阻塞接收

想学好Linux，去学习文档中这些man帮助手册，有时候比网络上的博客文章更准确（也可以 man man 查看帮助文档本身的帮助文档）
使用man 2 socket，你会发现所谓socket系统调用，其实就是调用了一个有返回值（文件描述符）的函数（用于LISTEN）

稍稍总结一下

BIO 模型的整个连接过程

无论哪种IO模型，application想要和外界通信，都要进行上面所展示的一系列的（3步）系统调用，都是不可缺少的。
之后服务端进入阻塞状态accept(3,等待客户端的连接。此次阻塞被成功地连接之后，又进入一的新的阻塞，等待新的客户端连接。
一旦连接成功之后，会为这个连接抛出去一个新的线程，新的线程中又进入一个阻塞状态recv(5,等待接收消息。