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经过一年时间的沉淀 再次回首 TCP Socket服务器编程--转

2016-09-28 00:00:00 广州睿丰德信息科技有限公司 阅读
睿丰德科技 专注RFID识别技术和条码识别技术与管理软件的集成项目。质量追溯系统、MES系统、金蝶与条码系统对接、用友与条码系统对接

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前言

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开发了这么多年,发现最困难的程序开发就是通讯系统。

 

其他大部分系统,例如CRM/CMS/权限框架/MIS之类的,无论怎么复杂,基本上都能够本地代码本地调试,性能也不太重要。(也许这个就是.net的企业级开发的战略吧)

 

可是来到通讯系统,一切变得困难复杂。原因实在太多了,如:

  • 性能永远是第一位:有时候一个if判断都要考虑性能,毕竟要损耗一个CPU指令,而在通讯系统服务器,每秒钟都产生上百万级别的通讯量,这样一个if就浪费了1个毫秒了。
  • 系统环境极其恶劣:所有我们可以想象的恶意攻击、异常输入等都要考虑;
  • 网络说断就断:在socket环境下,客户端可以以各种理由断开链接,而且服务器根本不会知道,连一个流水作业的业务逻辑都无法保证正常执行,因此需要设计各种辅助的协议、架构去监督。
  • 各种网络链接问题:例如代理、防火墙等等。。。

经过了1年的跌跌撞撞,我总算收获了点有用的经验,本文先从设计角度介绍一些我在Socket编程中的经验,下一篇在放出源代码。

 

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现有的Socket编程资源

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1. 首选推荐开源的XMPP框架,也就是Google的Gtalk的开源版本。里面的架构写的非常漂亮。特点就是:简洁、清晰。

 

2. 其次推荐LumaQQ.net,这套框架本身写的一般般,但是腾讯的服务器非常的猛,这样必然导致客户端也要比较猛。通过学习这套框架,能够了解腾讯的IM传输协议设计,而且他们的协议是TCP/UDP结合,一举两得。

 

3. 最后就是DotMsn。这个写的实在很一般般,而且也主要针对了MSN的协议特点。是能够学习到一点点的框架知识的,不过要有所鉴别。

 

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Socket的选择

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在Java,到了Java5终于出现了异步编程,NIO,于是各种所谓的框架冒了出来,例如MINA, xsocket等等;而在.NET,微软一早就为我们准备好了完善的Socket模型。主要包括:同步Socket、异步Socket;我还听说了.net 3.x之后,异步的Socket内置了完成端口。综合各种模型的性能,我总结如下:

 

1. 如果是短链接,使用同步socket。例如http服务器、转接服务器等等。

 

2. 如果是长链接,使用异步socket。例如通讯系统(QQ / Fetion)、webgame等。

 

3. .net的异步socket的连接数性能在 7500/s(每秒并发7500个socket链接)。而听说完成端口在1.5w所有。但是我到目前还没有正式见过所谓的完成端口,不知道到底有多牛逼。

 

4. 我听说了java的NIO性能在5000/s所有,我们项目内部也进行了链接测试,在4000~5000比较稳定,当然如果代码调优之后,能提高一点点。

 

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TCP Socket协议定义

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本文从这里开始,主要介绍TCP的socket编程。

新手们(例如当初的我),第一次写socket,总是以为在发送方压入一个"Helloworld",接收方收到了这个字符串,就“精通”了Socket编程了。而实际上,这种编程根本不可能用在现实项目,因为:

 

1. socket在传输过程中,helloworld有可能被拆分了,分段到达客户端),例如 hello   +   world,一个分段就是一个包(Package),这个就是分包问题

 

2. socket在传输过成功,不同时间发送的数据包有可能被合并,同时到达了客户端,这个就是黏包问题。例如发送方发送了hello+world,而接收方可能一次就接受了helloworld.

 

3. socket会自动在每个包后面补n个 0x0 byte,分割包。具体怎么去补,这个我就没有深入了解。

 

4. 不同的数据类型转化为byte的长度是不同的,例如int转为byte是4位(int32),这样我们在制作socket协议的时候要特别小心了。具体可以使用以下代码去测试:

RFID,RFID仓储管理,RFID资产管理,RFID系统,RFID设备管理RFID资产管理,RFID仓库管理,RFID珠宝,RFID生产线,RFID手持机,RFID读写器,广州睿丰德代码

 

 

尽管socket环境如此恶劣,但是TCP的链接也至少保证了:

  • 包发送顺序在传输过程中是不会改变的,例如发送方发送 H E L L,那么接收方一定也是顺序收到H E L L,这个是TCP协议承诺的,因此这点成为我们解决分包、黏包问题的关键。
  • 如果发送方发送的是helloworld, 传输过程中分割成为hello+world,那么TCP保证了在hello与world之间没有其他的byte。但是不能保证helloworld和下一个命令之间没有其他的byte。

 

因此,如果我们要使用socket编程,就一定要编写自己的协议。目前业界主要采取的协议定义方式是:包头+包体长度+包体。具体如下:

 

1. 一般包头使用一个int定义,例如int = 173173173;作用是区分每一个有效的数据包,因此我们的服务器可以通过这个int去切割、合并包,组装出完整的传输协议。有人使用回车字符去分割包体,例如常见的SMTP/POP协议,这种做法在特定的协议是没有问题的,可是如果我们传输的信息内容自带了回车字符串,那么就糟糕了。所以在设计协议的时候要特别小心。

 

2. 包体长度使用一个int定义,这个长度表示包体所占的比特流长度,用于服务器正确读取并分割出包。

 

3. 包体就是自定义的一些协议内容,例如是对像序列化的内容(现有的系统已经很常见了,使用对象序列化、反序列化能够极大简化开发流程,等版本稳定后再转入手工压入byte操作)。

 

一个实际编写的例子:比如我要传输2个整型 int = 1, int = 2,那么实际传输的数据包如下:

   173173173               8                  1         2

|------包头------|----包体长度----|--------包体--------|

这个数据包就是4个整型,总长度 = 4*4  = 16。

 

说说我走的弯路:

我曾经偷懒,使用特殊结束符去分割包体,这样传输的数据包就不需要指名长度了。可是后来高人告诉我,如果使用特殊结束符去判断包,性能会损失很大,因为我们每次读取一个byte,都要做一次if判断,这个性能损失是非常严重的。所以最终还是走主流,使用以上的结构体。

 

 

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Socket接收的逻辑概述

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针对了我们的数据包设计+socket的传输特点,我们的接收逻辑主要是:

1. 寻找包头。这个包头就是一个int整型。但是写代码的时候要非常注意,一个int实际上占据了4个byte,而可悲的是这4个byte在传输过程中也可能被socket 分割了,因此读取判断的逻辑是:

  • 判断剩余长度是否大于4
  • 读取一个int,判断是否包头,如果是就跳出循环。
  • 如果不是包头,则倒退3个byte,回到第一点。
  • 如果读取完毕也没有找到,则有可能包头被分割了,因此当前已读信息压入接收缓存,等待下一个包到达后合并判断。

2. 读取包体长度。由于长度也是一个int,因此判断的时候也要小心,同上。

3. 读取包体,由于已知包体长度,因此读取包体就变得非常简单了,只要一直读取到长度未知,剩余的又回到第一条寻找包头。

 

这个逻辑不要小看,就这点东西忙了我1天时间。而非常奇怪的是,我发现c#写的socket,似乎没有我说的这么复杂逻辑。大家可以看看LumaQQ.net / DotMsn等,他们的socket接收代码都非常简单。我猜想:要么是.net的socket进行了优化,不会对int之类的进行分割传输;要么就是作者偷懒,随便写点代码开源糊弄一下。

 

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Socket服务器参数概述

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我在开篇也说了,Socket服务器的环境是非常糟糕了,最糟糕的就是客户端断线之后服务器没有收到通知。 因为socket断线这个也是个信息,也要从客户端传递到我们socket服务器。有可能网络阻塞了,导致服务器连断开的通知都没有收到。

因此,我们写socket服务器,就要面对2个环境:

1. 服务器在处理业务逻辑中的任何时候都会收到Exception, 任何时候都会因为链接中断而断开。

2. 服务器接收到的客户端请求可以是任意字符串,因此在处理业务逻辑的时候,必须对各种可能的输入都判断,防止恶意攻击。

 

针对以上几点,我们的服务器设计必须包含以下参数:

1. 客户端链接时间记录:主要判断客户端空连接情况,防止连接数被恶意占用。

2. 客户端请求频率记录:要防止客户端频繁发送请求导致服务器负荷过重。

3. 客户端错误记录:一次错误可能导致服务器产生一次exception,而这个性能损耗是非常严重的,因此要严格监控客户端的发送协议错误情况。

4. 客户端发送信息长度记录:有可能客户端恶意发送非常长的信息,导致服务器处理内存爆满,直接导致宕机。

 

5. 客户端短时间暴涨:有可能在短时间内,客户端突然发送海量数据,直接导致服务器宕机。因此我们必须有对服务器负荷进行监控,一旦发现负荷过重,直接对请求的socket返回处理失败,例如我们常见的“404”。

 

6. 服务器短时间发送信息激增:有可能在服务器内部处理逻辑中,突然产生了海量的数据需要发送,例如游戏中的“群发”;因此必须对发送进行队列缓存,然后进行合并发送,减轻socket的负荷。

 

 

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后记

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本文从架构设计分析了一个socket服务器的设计要点。如果您有其他见解,欢迎留言与讨论。

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