linux一切皆文件之tcp socket描述符（三）

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
OS	CentOS 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（ulimit -n）

五、参考资料

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

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至此，本文结束
在下才疏学浅，有撒汤漏水的，请各位不吝赐教...