Linux的tcp socket 描述符

　　Linux一切皆文件之tcp socket描述符(三)

　　千里之行始于足下，今天和课课家小编一起来学习Linux的Tcp Socket 描述符！

      一、知识准备

　　1、在linux中，一切皆为文件，所有不同种类的类型都被抽象成文件(比如：块设备，socket套接字，pipe队列)

　　2、操作这些不同的类型就像操作文件一样，比如增删改查等

　　二、环境准备

　　组件版本

　　OSCentOS Linux release 7.5.1804

　　三、tcp socket 文件描述符

　　● 当我们建立一条TCP连接时，在linux操作系统中会创建一个socket文件描述符

　　● 通过文件描述符就能找到socket的几本信息，比如TCP四元组(client-ip:client-port --> server-ip:server-port)

　　先准备2个脚本：

　　server.py主要用于建立客户端的连接请求，并且接收客户端传来的数据，然后将收到的数据回传给客户端

　　client.py每隔1秒向服务端发送一次'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()

　　分别启动server.py与client.py

　　[root@localhost ~]# Python /tmp/server.py &

　　[1] 14199

　　[root@localhost ~]# python /tmp/client.py &

　　[2] 14202

　　查看server.py打开的文件描述符

　　[root@localhost ~]# 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]

　　[root@localhost ~]# 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)

　　我们主要关注ESTABLISHED状态的socket描述符，也就是4 -> socket:[99155][root@localhost 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

　　进程打开了tcp socket 描述符4 -> socket:[99155]，socket描述符指向内存中的socket结构体，该结构体详细描述了这个socket的详细信息

　　最重要的是TCP四元组(local_ip:local_port --> remote_ip:remote_port)，拆分转换成10进制

　　0100007F:56CE

　　[root@localhost ~]# ((d=0x01))

　　[root@localhost ~]# ((c=0x00))

　　[root@localhost ~]# ((b=0x00))

　　[root@localhost ~]# ((a=0x7F))

　　[root@localhost ~]# ((e=0x56CE))

　　[root@localhost ~]# echo "$a.$b.$c.$d:$e"

　　127.0.0.1:22222

　　0100007F:DE72

　　[root@localhost ~]# ((d=0x01))

　　[root@localhost ~]# ((c=0x00))

　　[root@localhost ~]# ((b=0x00))

　　[root@localhost ~]# ((a=0x7F))

　　[root@localhost ~]# ((e=0xDE72))

　　[root@localhost ~]# echo "$a.$b.$c.$d:$e"

　　127.0.0.1:56946

　　在/proc/net/tcp包含了tcp连接的重要状态信息：

　　00000000:00000000 ： 发送队列与接收队列 (正数第四个字段)

　　-1 ： 慢启动门限 (倒数第一个字段)

　　10 ： 拥塞窗口 (倒数第二个字段)

　　这里面还有很多描述：比如慢启动门限、传输队列以及接收队列、窗口探查等TCP相关的重要参数都可以查询到，具体的大家可以去看下《TCP/IP详解卷》

　　client.py也存在同样的行为：

　　[root@localhost ~]# 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]

　　[root@localhost ~]# lsof -n | grep 28728

　　python 14202 root 3u IPv4 28728 0t0 TCP 127.0.0.1:56946->127.0.0.1:22222 (ESTABLISHED)

　　[root@localhost 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

　　[root@localhost ~]# ((d=0x01))

　　[root@localhost ~]# ((c=0x00))

　　[root@localhost ~]# ((b=0x00))

　　[root@localhost ~]# ((a=0x7F))

　　[root@localhost ~]# ((e=0x56CE))

　　[root@localhost ~]# echo "$a.$b.$c.$d:$e"

　　127.0.0.1:22222

　　0100007F:DE72

　　[root@localhost ~]# ((d=0x01))

　　[root@localhost ~]# ((c=0x00))

　　[root@localhost ~]# ((b=0x00))

　　[root@localhost ~]# ((a=0x7F))

　　[root@localhost ~]# ((e=0xDE72))

　　[root@localhost ~]# echo "$a.$b.$c.$d:$e"

　　127.0.0.1:56946

　　总结一下：

　　● server.py与client.py各自打开tcp socket 描述符，该描述符指向内存中的socket结构体

　　● socket结构体描述了关于TCP的所有信息，其中通过TCP 4元组找到对端的通信节点

　　● socket将用户数据以及自身结构数据封装完成之后会交给底层的TCP协议，然后是IP协议、链路层信息，最后通过物理链路到达对端

　　● 对端也会依次解包，直至将发送端数据写入到指定的内存当中，最终由应用程序读取(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、小结

　　● TCP连接中最重要的是TCP四元组，而进程打开TCP socket描述符可以找到四元组信息，从而确定双方的IP和port

　　● 通过socket文件描述符可以找到内存中的socket结构体，获取到TCP连接的详细信息，包括必备四元组、文件的inode、时间、出队入队状态等等

　　● 1个进程可以创建多个TCP连接，也就是创建多个socket文件描述符，这由该进程能够打开的文件数量限制

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