22.网络编程

22.1 TCP/IP协议栈

    TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol),中文翻译为传输控制协议/因特网互联协议。它是一个包含很多工作在不同层的协议族，其中最著名的两个协议分别是TCP和IP协议。TCP/IP协议一共定义了四层：网络接入层、网络层、传输层、应用层

TCP/IP协议是事实标准，目前在广域网和局域网使用非常广泛。

22.2 TCP与UDP区别

    TCP/IP协议在传输层又可以分为TCP和UDP两种，主要区分如下所示：

	TCP	UDP
连接类型	面向连接	无连接
可靠性	可靠	不可靠
有序	数据包有序号	没有包序
使用场景	适用于大多数场景，数据不能出现任何问题	视频和音频
服务对象	一对一	支持一对一、一对多和多对多

    以下解释如下所示：

1.连接

• 使用TCP时，需要通信双方提前建立连接，建立连接前需要经过三次握手，结束连接时，需要四次挥手
• UPD不需要提前建立连接，即刻传输数据

2.可靠性

• TCP需要确定每一个包是否收到，如遇丢包，则需要重新发送数据包。可靠性高，但会牺牲效率
• UDP是尽最大努力保证数据传输，但不需要确认数据包，因此会出现丢包也无法知道，也不重新发送数据包，可靠性低，但效率高一些

3.有序

• TCP包有序号，可以进行顺序控制。第一个包序号随机生成，之后的序号都会与第一个序号相关
• UDP无序号，无法纠正，只能应用层进行验证

4.数据

• TCP协议是流协议，也就是一大段数据看作字节流，一段段持续发送这些字节，各字节流之间没有边界，通过序号保证顺序和可靠
• UDP协议是数据报协议，每一份数据封装在一个单独的数据包中，一份一份发送数据，各个数据包之间存在边界，但可能会导致丢包和乱序。

5.服务对象

• TCP是一对一的点对点服务，即一个连接只有两个端点
• UDP支持一对一、一对多、多对多的交互式通信

22.3 TCP/UDP编程

    无论是基于TCP还是UDP编程，其底层原理都是基于Socket实现的。在Go语言中Socket都封装在内置net包。即通过net包就能进行TCP和UDP的网络编程。

22.3.1 TCP服务端编程

    服务器端进行编程的步骤如下所示：

• 创建Socket对象
• 绑定IP地址和端口
• 开始在指定的IP端口上监听
• 获取用于传输数据的新Socket对象。

    示意图如下所示：

以上示意图来自于马哥教育

    示例代码如下所示：

package mainimport ("log""net"
)func main() {tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp", "0.0.0.0:9999")if err != nil {log.Panicf("解析IP和端口出错:%v\n", err)}// 底层创建Socket、bind、Listen，非阻塞IOserver, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)if err != nil {log.Panicf("绑定IP和端口出错%v\n", err)}// 关闭Serverdefer server.Close()// 循环接收客户端的连接for {// 开始接收数据，并分配新的Socketconn, _ := server.Accept()go func() {// Client退出前，关闭连接defer conn.Close()// 创建缓冲区，进行收发操作buffer := make([]byte, 4096)// 成功接收到数据n, err := conn.Read(buffer)if err != nil {log.Fatalf("读取数据出错：%v\n", err)}clientAddr := conn.RemoteAddr().String()if n == 0 {log.Printf("客户端%s主动断开连接", clientAddr)return}data := buffer[:n]log.Printf("从 %v 成功接收到数据长度为:%d,数据内容为:%s\n", clientAddr, n, data)// Server 返回响应数据conn.Write([]byte("Hello"))}()}
}

22.3.2 TCP客户端编程

    客户端编程与服务端非常相似，其基本步骤如下所示：

• 创建Socket对象
• 随机选择端口即可以向服务端发起连接
• 连接成功后，就可以发起操作
• 最后关闭连接

package mainimport ("fmt""log""net""runtime""time"
)func main() {rAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp", "0.0.0.0:9999")if err != nil {log.Panicf("解析IP和端口出错:%v\n", err)}// 底层创建Socket、并发起连接client, err := net.DialTCP("tcp", nil, rAddr)if err != nil {log.Panicf("连接远程IP和端口出错%v\n", err)}log.Printf("本地连接地址和端口%v\n", client.LocalAddr())// 关闭Serverdefer client.Close()quitFlag := make(chan struct{})go func() {// 收发数据buffer := make([]byte, 4096)for {// 设置一个超时时间，超出设定的时间，则不再等待client.SetReadDeadline(time.Now().Add(10 * time.Second))// 会出现阻塞情况出现n, err := client.Read(buffer)if err != nil {log.Printf("client接收数据出错%v\n", err)if _, ok := err.(*net.OpError); !ok {// 不是读超时quitFlag <- struct{}{}return}continue}log.Printf("client接收数据的为：%v\n", string(buffer[:n]))}}()go func() {var input stringfor {// 用户中止输入命令if input == "q" {quitFlag <- struct{}{}return}n, err := fmt.Scan(&input)if err != nil {log.Printf("读取输入数据出错%v\n", err)}log.Printf("用户输入数据长度为%v\n", n)_, err = client.Write([]byte(input))if err != nil {log.Printf("client发送的数据出错%v\n", err)}log.Printf("client发送的数据为：%v\n", input)}}()t := time.NewTicker(1 * time.Second)LOOP:for {select {case <-quitFlag:break LOOPcase <-t.C:log.Printf("Goroutine number is: %d\n", runtime.NumGoroutine())}}log.Println("客户端退出")
}

22.3.3 UDP服务端编程

    UDP是无需建立连接就可以相互发送数据的网络传输协议，因此UDP存在不可靠，通信没有时序待缺点，但却非常适合于视频、音频等场景。其服务端通信示例如下所示：

以上示意图来自于马哥教育

    UDP 基本创建步骤如下所示：

• 创建Socker对象
• 绑定IP和端口
• 收发传输数据
• 释放资源

package mainimport ("fmt""log""net""runtime""time"
)func main() {udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "0.0.0.0:9999")if err != nil {log.Fatalln("解析UDP IP和Port错误")}// 创建Socker对象，并绑定IP和端口server, err := net.ListenUDP("udp", udpAddr)if err != nil {log.Fatalf("监听%v出错\n", udpAddr)}// 不需要Acceptdefer server.Close()quitFlag := make(chan struct{})go func() {// 进行收发buffer := make([]byte, 4096)for {server.SetReadDeadline(time.Now().Add(5 * time.Second))n, raddr, err := server.ReadFromUDP(buffer)log.Printf("Server从%v读取到的数据为:%v\n", raddr, string(buffer[:n]))if err != nil {log.Printf("%v远程读取数据出错%v 数据类型%[2]T\n", raddr, err)if _, ok := err.(*net.OpError); !ok {log.Println("ok:", ok)quitFlag <- struct{}{}return}continue}s := fmt.Sprintf("client: %v ,data: %v \n", raddr, string(buffer[:n]))server.WriteToUDP([]byte(s), raddr)}}()t := time.NewTicker(5 * time.Second)
LOOP:for {select {case <-quitFlag:break LOOPcase <-t.C:log.Printf("Goroutine Num:%d\n", runtime.NumGoroutine())}}log.Println("主协程结束")
}

22.3.4 UDP客户端编程

    UDP客户端编程与服务端也非常相似，基本操作步骤如下所示：

• 创建Socker对象
• 传输数据
• 释放资源

package mainimport ("fmt""log""net""runtime""time"
)func main() {raddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", "0.0.0.0:9999")if err != nil {log.Fatalln("解析UDP IP和Port错误")}// 创建Socker对象，无需绑定client, err := net.DialUDP("udp", nil, raddr)if err != nil {log.Fatalf("连接%v出错\n", raddr)}// 不需要Acceptdefer client.Close()quitFlag := make(chan struct{})go func() {// 进行收发buffer := make([]byte, 4096)for {client.SetReadDeadline(time.Now().Add(5 * time.Second))n, raddr, err := client.ReadFromUDP(buffer)log.Printf("Client从%v读取到的数据为:%v\n", raddr, string(buffer[:n]))if err != nil {log.Printf("%v远程读取数据出错%v 数据类型%[2]T\n", raddr, err)if _, ok := err.(*net.OpError); !ok {log.Println("ok:", ok)quitFlag <- struct{}{}return}continue}}}()go func() {var input stringfor {fmt.Scan(&input)// 客户端退出if input == "q" {quitFlag <- struct{}{}return}n, err := client.Write([]byte(input))if err != nil {log.Printf("向%v发送数据失败", raddr)}log.Printf("向 %v 发送数据长度为:%d 数据为：%v\n", raddr, n, input)}}()t := time.NewTicker(5 * time.Second)
LOOP:for {select {case <-quitFlag:break LOOPcase <-t.C:log.Printf("Goroutine Num:%d\n", runtime.NumGoroutine())}}log.Println("主协程结束")
}

22.4 WebSocket

22.4.1 WebSocket基本原理

    HTTP协议，必须由客户端主动发起请求，服务器收到请求后被动响应请求，并返回信息给客户端，而且底层建立的TCP连接用完即断，并不会维持很久。但有些场景下，HTTP协议做不到。

• 例如服务端需要为某些客户端主动发送请求，解决方案只能定时发起请求轮询服务器，效率低下
• 例如客户端需要快速刷新数据，依然需要连续和服务器建立连接，HTTP协议会频繁建立、断开TCP连接、成本很高，而HTTP每一次发起请求的请求报文或响应报文，都需要携带请求头部信息，两端通信又存在冗余数据

    为了解决这个问题，引入了WebSocket技术。WebSocket是一种网络传输协议，它实现在单个TCP连接上进行全双工通信，位于OSI模型中的应用层。其主要特点如下所示：

• WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议
• WebSocket使得客户端和服务端之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据
• WebSocket允许客户端和服务端在完成一次握手后，便可以直接创建持久性的连接，并进行数据双向传输

    HTTP与WebSocket通信示意图如下所示：

    WebSocket是一个基于应用层的协议，建立在TCP协议之上，和HTTP协议是兄弟关系，但却又依赖HTTP。因为在需要使用WebSocket时，在建立HTTP连接后，在应用层完成一次握手和确认后，需要进行协议升级至WebSocket协议。

    HTTP的请求-响应模式每次新连接时均需要建立新的三次握手，不仅增加了延迟、也对资源造成浪费，不适宜实时响应速度要求高的应用。WebSocket的双向通信以及基于事件的传输模式，为应用提供了低延迟和高效率的实时通信能力。优化了性能和资源利用。主要应用场景如下所示：

• 聊天室
• 在线协同编辑
• 实时数据更新
• 弹幕
• 股票等数据实时报价
• WebShell

22.4.2 WebSocket服务端编程

    在Go中进行WebSocket需要使用到第三方库https://github.com/gorilla/websocket/，安装命令如下所示：

go get github.com/gorilla/websocket

    服务端示例代码如下所示：

• 后端代码:

package mainimport ("flag""log""net/http""github.com/gorilla/websocket"
)var addr = flag.String("addr", "0.0.0.0:9999", "HTTP Server Address")
var upgrader = websocket.Upgrader{}func home(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {log.Printf("%s %s", r.Method, r.URL)w.Header().Add("X-Protocol", "HTTP")// 返回一个网页，所有文件都可以看作为一个二进制字节序列http.ServeFile(w, r, "./index.html")// w.Write([]byte("Hello http"))
}func ws(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {conn, err := upgrader.Upgrade(w, r, nil)if err != nil {log.Printf("Upgrade Protocol error :%v", err)}defer conn.Close()for {mt, message, err := conn.ReadMessage()if err != nil {log.Println("read:", err)break}log.Printf("recv: %s", message)err = conn.WriteMessage(mt, message)log.Printf("write: %s", message)if err != nil {log.Println("write:", err)break}}
}func main() {flag.Parse()http.HandleFunc("/ws", ws)http.HandleFunc("/http", home)http.ListenAndServe(*addr, nil)
}

• 前端代码

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head><meta charset="UTF-8"><meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0"><title>Web Sockert 测试</title><script>// Create WebSocket connection.// 1.握手http 2.协议升级 3.建立长连接const ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:9999/ws");// Connection opened// 建立某个事件绑定到函数addEventListener，js回调函数ws.addEventListener("open", function (event) {ws.send("Hello Server!");});// Listen for messages// 服务器端消息到了事件ws.addEventListener("message", function (event) {console.log("Message from server ", event.data);});ws.addEventListener("onclose", function (event) {console.log("WebSocket is closed now.");});ws.addEventListener("error", function (event) {console.log("WebSocket error: ", event);});</script>
</head><h1>Go WebSocket 测试示例</h1><br><a href="ws://127.0.0.1:9999/ws">切换至WebSocket测试</a>
</body>
</html>

WebSocket 前端页面参考资料：https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/WebSocket

22.4.3 WebSocket客户端编程

    大部分情况下，WebSocket的客户端可以使用Postman、Apifox这类工具来进行测试，也可以参考代码 https://github.com/gorilla/websocket/blob/main/examples/echo/client.go

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