轨迹系列7——Socket总结及实现基于TCP或UDP的809协议方法

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1.背景

在上一篇博客中我详细介绍了809协议的内容。809协议规范了通信的报文，通信的规则等，但是并没限制通信使用的传输协议。这里，我将分别介绍利用TCP和UDP传输协议来实现的809协议对接的方法。

2.TCP和UDP的介绍

TCP协议和UDP协议均是面向传输层的一种协议。而我们常说的HTTP协议则是面向应用层的一种协议。

我们常说的TCP/IP协议，则是一个协议簇，其中TCP、UDP协议均包含于这个协议簇。至于这个协议为什么叫TCP/IP，是因为TCP和IP协议是其中最重要的两个协议。

2.1TCP协议介绍

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的协议，也就是说，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来，其中的过程非常复杂，只简单的描述下这三次对话的简单过程：主机A向主机B发出连接请求数据包：“我想给你发数据，可以吗？”，这是第一次对话；主机B向主机A发送同意连接和要求同步（同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）的数据包：“可以，你什么时候发？”，这是第二次对话；主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步：“我现在就发，你接着吧！”，这是第三次对话。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据。

总结上面这段话，主要包含了两个关键词：三次握手、可靠连接:

如建立连接一般复杂，TCP协议断开也相对复杂，需要进行四次挥手：

2.2UDP协议介绍

UDP（User Data Protocol），即用户数据报协议，其包含的特征主要如下:
a.UDP是一个非连接的协议，传输数据之前，源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
b.由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
c.UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。
d.吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
e.UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数）。
f.UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。
我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常，其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包，然后对方主机确认收到数据包，如果数据包是否到达的消息及时反馈回来，那么网络就是通的。

总结UDP协议，其最大的特点是其无连接性，支持广播通信（支持一对多、多对多通信）。广播地址(Broadcast Address)是专门用于同时向网络中所有工作站进行发送的一个地址。在使用TCP/IP 协议的网络中，主机标识段host ID 为全1 的IP 地址为广播地址，广播的分组传送给host ID段所涉及的所有计算机。例如，对于10.1.1.0 （255.255.255.0 ）网段，其广播地址为10.1.1.255 （255 即为2 进制的11111111 ），当发出一个目的地址为10.1.1.255 的分组（封包）时，它将被分发给该网段上的所有计算机。

2.3协议对比

TCP与UDP区别总结：
a.TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。
b.TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付。
c.TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的
UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）。
d.每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。
e.TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小，只有8个字节。
f.TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道。

3.Socket编程

3.1基本概念

网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个连接的一端称为一个socket。

建立网络通信连接至少要一对端口号(socket)。socket本质是编程接口(API)，对TCP/IP的封装，TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口；HTTP是轿车，提供了封装或者显示数据的具体形式;Socket是发动机，提供了网络通信的能力。

目前各大主流语言基本都支持socket编程。C#基于socket封装了TCPClient以及UDPClient类，使得socket编程更加简单。

在进行网络编程时，我们常常见到同步(Sync)/异步(Async)，阻塞(Block)/非阻塞(Unblock)四种调用方式：
同步：所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。也就是必须一件一件事做,等前一件做完了才能做下一件事。例如普通B/S模式（同步）：提交请求->等待服务器处理->处理完毕返回这个期间客户端浏览器不能干任何事。

异步：异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。例如 ajax请求（异步）: 请求通过事件触发->服务器处理（这是浏览器仍然可以作其他事情）->处理完毕。

阻塞：阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（线程进入非可执行状态，在这个状态下，cpu不会给线程分配时间片，即线程暂停运行）。函数只有在得到结果之后才会返回。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。例如，我们在socket中调用recv函数，如果缓冲区中没有数据，这个函数就会一直等待，直到有数据才返回。而此时，当前线程还会继续处理各种各样的消息。

非阻塞:非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。
对象的阻塞模式和阻塞函数调用:
对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性，但是并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式，我们可以通过一定的API去轮询状态，在适当的时候调用阻塞函数，就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象，调用特殊的函数也可以进入阻塞调用。函数select就是这样的一个例子。

总结为：

a.同步，就是我调用一个功能，该功能没有结束前，我死等结果。

b.异步，就是我调用一个功能，不需要知道该功能结果，该功能有结果后通知我（回调通知）。

c.阻塞，就是调用我（函数），我（函数）没有接收完数据或者没有得到结果之前，我不会返回。

d.非阻塞,就是调用我（函数），我（函数）立即返回，通过select通知调用者。

3.2同步和异步的实现

3.2.1阻塞通信

3.2.2非阻塞通信

实现非阻塞通信有两种方式，一种是利用异步方式，另一种使用多线程方式实现。两者的原理也是各不相同：

a.线程本质上是进程中一段并发运行的代码，所以线程需要操作系统投入CPU资源来运行和调度；

b.异步本质上是计算机硬件功能，其操作无须消耗CPU时间的I/O操作；

编写异步操作的复杂程度较高，程序主要使用回调方式进行处理，处理函数可以不必使用共享变量；

c.多线程是顺序执行，编程简单。但是线程的使用（滥用）会给系统带来上下文切换的额外负担。并且线程间的共享变量可能造成死锁的出现。

当需要执行I/O操作时，使用异步操作比使用线程+同步 I/O操作更合适。I/O操作不仅包括了直接的文件、网络的读写，还包括数据库操作、Web Service、HttpRequest以及.net Remoting 等跨进程的调用。

线程适用那种需要长时间CPU运算的场合，例如耗时较长的图形处理和算法执行。

3.2.2.1多线程实现

3.2.2.2异步实现

4.809协议对接的实现

4.1TCP协议对接（部分）

由于TCP是长连接，所以这里需要用非阻塞方式通信，选择多线程方法解决：

4.2UDP协议对接（部分）

UDP不需保持连接状态，所以监听端口完成操作即可，由于接受消息后操作基本不耗时，所以没有启用多线程：

4.3对809协议解析的实现（部分）

5.总结

在研究生期间时，研究过一段时间的socket通信。当时对P2P模式，以及UDP打洞都还挺感兴趣。以后有机会和大家在一起探讨。

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