一、知識准備
1、在linux中，一切皆為文件，所有不同種類的類型都被抽象成文件（比如：塊設備，socket套接字，pipe隊列）
2、操作這些不同的類型就像操作文件一樣，比如增刪改查等
二、環境准備
| 組件 | 版本 |
|---|---|
| OS | CentOS Linux release 7.5.1804 |
三、tcp socket 文件描述符
● 當我們建立一條TCP連接時，在linux操作系統中會創建一個socket文件描述符
● 通過文件描述符就能找到socket的幾本信息，比如TCP四元組（client-ip:client-port --> server-ip:server-port）
先准備2個腳本：
server.py主要用於建立客戶端的連接請求，並且接收客戶端傳來的數據，然后將收到的數據回傳給客戶端
client.py每隔1秒向服務端發送一次'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()
分別啟動server.py與client.py
[root@localhost ~]# python /tmp/server.py &
[1] 14199
[root@localhost ~]# python /tmp/client.py &
[2] 14202
查看server.py打開的文件描述符
[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)
我們主要關注ESTABLISHED狀態的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
進程打開了tcp socket 描述符4 -> socket:[99155]，socket描述符指向內存中的socket結構體，該結構體詳細描述了這個socket的詳細信息
最重要的是TCP四元組（local_ip:local_port --> remote_ip:remote_port），拆分轉換成10進制
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連接的重要狀態信息：
00000000:00000000 ： 發送隊列與接收隊列 （正數第四個字段）
-1 ： 慢啟動門限 （倒數第一個字段）
10 ： 擁塞窗口 （倒數第二個字段）
這里面還有很多描述：比如慢啟動門限、傳輸隊列以及接收隊列、窗口探查等TCP相關的重要參數都可以查詢到，具體的大家可以去看下《TCP/IP詳解卷》
client.py也存在同樣的行為：
[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
總結一下：
● server.py與client.py各自打開tcp socket 描述符，該描述符指向內存中的socket結構體
● socket結構體描述了關於TCP的所有信息，其中通過TCP 4元組找到對端的通信節點
● socket將用戶數據以及自身結構數據封裝完成之后會交給底層的TCP協議，然后是IP協議、鏈路層信息，最后通過物理鏈路到達對端
● 對端也會依次解包，直至將發送端數據寫入到指定的內存當中，最終由應用程序讀取（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、小結
● TCP連接中最重要的是TCP四元組，而進程打開TCP socket描述符可以找到四元組信息，從而確定雙方的IP和port
● 通過socket文件描述符可以找到內存中的socket結構體，獲取到TCP連接的詳細信息，包括必備四元組、文件的inode、時間、出隊入隊狀態等等
● 1個進程可以創建多個TCP連接，也就是創建多個socket文件描述符，這由該進程能夠打開的文件數量限制（ulimit -n）
五、參考資料
http://www.cs.colostate.edu/~gersch/cs457/CS457_tutorial2.pdf
https://gist.github.com/jkstill/5095725
至此，本文結束
在下才疏學淺，有撒湯漏水的，請各位不吝賜教...