一文淺析Node中的TCP和UDP

Node 是一個以網路為導向的平台，它具有事件驅動、無阻塞、單執行緒等特性，具備良好的可擴充性，使得它十分輕量，適合在分散式網路中扮演各種各樣的角色。

Node 提供了net、dgram、http、http2、 https 等模組，分別用於處理TCP、UDP、HTTP、HTTPS，適用於服務端與用戶端。

建構TCP 服務

TCP 服務在網路應用中十分常見,目前大多數的應用程式都是基於TCP 搭建而成的,它的全名為傳輸控制協定,在OSI 模型中屬於傳輸層協定,許多應用層協定基於TCP 建構,典型的HTTP 、SMTP、IMAP 等協定。這裡不講 TCP 相關知識點了,如果有興趣可以關注我 電腦網路 這個專欄進行學習。

建立TCP 服務端

在基本了解TCP 的工作原理之後,我們可以開始建立一個TCP 伺服器端來接受網路請求,net 模組提供了一個非同步網路API,用於建立基於stream 的TCP 或IPC 伺服器和用戶端。 【相關教學推薦：nodejs影片教學、程式設計教學】

請看下面這個範例,我們在server.js 檔案中寫以下程式碼,如下:

import net from "net";

const server = net.createServer((socket) => {
  socket.on("data", (data) => {
    console.log("监听到客户端的数据:", data.toString());
  });
  // 监听客户端断开连接事件
  socket.on("end", () => {
    console.log("客户端断开连接");
  });
  // 发送数据给客户端
  socket.end("over over over\n");
});

// 启动服务
server.listen(3000, () => {
  console.log("服务创建成功");
});

我們透過net.createServer(listener) 即可建立一個TCP 伺服器,該函數的參數是裡連結事件 connection 的偵聽器。

當我們在終端執行該檔案時,服務創建成功 輸出在了終端。

nodemon .\server.js

在前面我們透過net.createServer 建立了一個服務端,那麼接下來我們使用net.connect 建立一個客戶端進行會話,具體程式碼如下所示:

import net from "net";

const client = net.connect({ port: 3000 }, () => {
  client.write("今晚出去吃饭,收到请 over\n");
});
// 接收服务端的数据
client.on("data", (data) => {
  console.log("接收服务端的数据: ", data.toString());
  // 断开连接
  client.end();
});

// 断开连接
client.on("end", () => {
  console.log("断开连接");
});

我們這個時候對兩個檔案執行,如下所示:

#接下來我們還有這樣的一個例子,具體程式碼如下圖所示:

具體運行結果請看下面的動圖:

##在客戶端我使用

client.write() 發送了多次資料,但是只有setTimeout 之外的是正常的，setTimeout 裡面連續發送的似乎不是每一次一返回,而是會隨機合併返回了,在這裡也就出現了粘包了。

TCP 針對網路中的小封包有一定的最佳化策略: Negle 演算法,如果每次只傳送一個位元組的內容而不優化,網絡中將充滿只有極少數有效數據的數據報,將十分浪費網絡資源,該算法針對這種情況,要求緩衝區的數據達到一定數量或者一定時間後才將其發出,所以小數據包將會被該演算法合併,以此來優化網路。這種優化雖然使網路有效地使用,但是數據有可能被延遲發送。

在

Node 中,由於TCP 預設啟用了Negle 演算法,可以呼叫socket.setNoDelay(true)去掉Negle 演算法,使得write() 可以立即傳送資料到網路中:

關閉

Nagle 演算法並不總是有效的,因為其是在服務端完成合併,TCP 接收到資料會先存放於自己的緩衝區中,然後通知應用程式接收,應用層因為網路或其它的原因若無法及時從TCP 緩衝區中取出資料,也會造成TCP 緩衝區中存放多段資料塊,就會又會形成黏包。

TCP原理

在

Node 中,呼叫createServer() 等同於呼叫new Server() ,具體結果如下圖所示:

#

这主要的原因它在 Node 源码中有如下定义,所以调用 createServer() 函数实际上调用的是 new Server(),具体代码如下图所示:

function createServer(options, connectionListener) {
  return new Server(options, connectionListener);
}

该构造函数的定义主要有如下所示:

function Server(options, connectionListener) {
  EventEmitter.call(this);
  // 注册连接到来时执行的回调
  if (typeof options === "function") {
    connectionListener = options;
    options = {};
    this.on("connection", connectionListener);
  } else if (options == null || typeof options === "object") {
    options = { ...options };

    if (typeof connectionListener === "function") {
      this.on("connection", connectionListener);
    }
  }
  // 服务器建立的连接数
  this._connections = 0;

  this[async_id_symbol] = -1;
  this._handle = null;
  this._usingWorkers = false;
  this._workers = [];
  this._unref = false;
  // 服务器下的所有连接是否允许半连接
  this.allowHalfOpen = options.allowHalfOpen || false;
  // 有连接时是否注册读事件
  this.pauseOnConnect = !!options.pauseOnConnect;
  this.noDelay = Boolean(options.noDelay);
  // 是否支持keepAlive
  this.keepAlive = Boolean(options.keepAlive);
  this.keepAliveInitialDelay = ~~(options.keepAliveInitialDelay / 1000);
}
ObjectSetPrototypeOf(Server.prototype, EventEmitter.prototype);
ObjectSetPrototypeOf(Server, EventEmitter);

listen

它返回的是一个普通的 JavaScript 对象,接着调用 listen 函数监听端口,listen 方法支持多种使用方式主要有以下这几种方法:

• 传入的是一个已经创建的 TCP 服务器,而不是需要创建的一个服务器;
• 传进来是一个对象,并且带了 fd 字段;
• 创建了一个 TCP 服务器,并启动该服务器,如果传入了 host 会对其进行域名解析；

该方法的的主要逻辑有如下代码所示:

Server.prototype.listen = function (...args) {
  /*
         处理入参，根据文档我们知道listen可以接收好几个参数，
          假设我们这里是只传了端口号9297  
        */
  var normalized = normalizeArgs(args);
  //  normalized = [{port: 9297}, null];
  var options = normalized[0];
  var cb = normalized[1];
  // 第一次listen的时候会创建，如果非空说明已经listen过
  if (this._handle) {
    throw new errors.Error("ERR_SERVER_ALREADY_LISTEN");
  }
  // listen成功后执行的回调
  var hasCallback = cb !== null;
  if (hasCallback) {
    // listen成功的回调
    this.once("listening", cb);
  }

  options = options._handle || options.handle || options;
  // 第一种情况，传进来的是一个TCP服务器，而不是需要创建一个服务器
  if (options instanceof TCP) {
    this._handle = options;
    this[async_id_symbol] = this._handle.getAsyncId();
    listenIncluster(this, null, -1, -1, backlogFromArgs);
    return this;
  }
  // 第二种，传进来一个对象，并且带了fd
  if (typeof options.fd === "number" && options.fd >= 0) {
    listenIncluster(this, null, null, null, backlogFromArgs, options.fd);
    return this;
  }
  // 创建一个tcp服务器
  var backlog;
  if (typeof options.port === "number" || typeof options.port === "string") {
    backlog = options.backlog || backlogFromArgs;
    // 第三种 启动一个TCP服务器，传了host则先进行DNS解析
    if (options.host) {
      lookupAndListen(
        this,
        options.port | 0,
        options.host,
        backlog,
        options.exclusive
      );
    } else {
      listenIncluster(
        this,
        null,
        options.port | 0,
        4,
        backlog,
        undefined,
        options.exclusive
      );
    }
    return this;
  }
};

listenInCluster

在每种方式的最后丢回调用 listenIncluster 方法,该方法主要做的事情是区分 master 进程 和 worker 进程,采用不同的处理策略:

• mastr 进程: 直接调用 server._listen 启动监听;
• worker 进程: 使用 cluster._getServer 处理传入的 server 对象,修改 server._handle 再调用了 server._listen 启动监听;

构建 UDP 服务

UDP 又称用户数据包协议,与 TCP 一样同属于网络层传输层。UDP 和 TCP 最大的不同是 UDP 不是面向链接的。

创建 <span style="font-size: 18px;">UDP</span> 服务

创建 UDP 套接字十分简单,UDP 套接字一旦创建,既可以作为客户端发送数据,也可以作为服务端接收数据,下面的代码创建了一个 UDP 套接字,具体代码如下所示:

import dgram from "node:dgram";

const server = dgram.createSocket("udp4");

server.on("error", (err) => {
  console.error(`server error:\n${err.stack}`);
  server.close();
});

server.on("message", (msg, rinfo) => {
  console.log(`server got: ${msg} from ${rinfo.address}:${rinfo.port}`);
});

server.on("listening", () => {
  const address = server.address();
  console.log(`server listening ${address.address}:${address.port}`);
});

server.bind(3000);

该套接字将接收所有网课上 3000 端口上的消息,在绑定完成后,将触发 listening 事件,会终端执行,会输出 server listening 0.0.0.0:3000 字段。

接下来我们创建一个客户端和服务端进行对话,具体代码如下所示:

import dgram from "node:dgram";
import { Buffer } from "node:buffer";

const message = Buffer.from("你个叼毛");
const client = dgram.createSocket("udp4");

client.send(message, 0, message.length, 3000, "localhost", () => {
  client.close();
});

终端的最终输出结果如下图所示

UDP 广播

在 dgram 模块中,可以使用 socket 端口对象的 setBroadcast 方法来进行数据的广播:

socket.setBroadcast(flag);

• flag: 当 flag 为 true 时,UDP 服务器或者客户端可以利用其所用的 socket 端口对象的 send 方法中的地址修改为广播地址。

服务端的代码定义在 server.js 文件,具体代码如下所示:

import dgram from "dgram";

const server = dgram.createSocket("udp4");

server.on("message", function (msg, rinfo) {
  console.log(
    "server got: " + msg + " from " + rinfo.address + ":" + rinfo.port
  );
});

server.on("listening", function () {
  var address = server.address();
  console.log("server listening " + address.address + ":" + address.port);
});

server.bind(3000);

客户端的代码定义在 server.js 文件,具体代码如下定义:

import dgram from "dgram";
import { Buffer } from "buffer";

const socket = dgram.createSocket("udp4");
const params = process.argv.splice(2);

socket.bind(function () {
  socket.setBroadcast(true);
});

const message = Buffer.from(...params);

socket.send(message, 0, message.length, 3000, "255.255.255.255", () => {
  socket.close();
});

具体运行效果如下图所示:

更多node相关知识，请访问：nodejs 教程！

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