【golang】高并发下TCP常见问题解决方案

首先，看一下TCP握手简单描绘过程：

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其握手过程原理，就不必说了，有很多详细文章进行叙述，本文只关注研究重点。

在第三次握手过程中，如果服务器收到ACK，就会与客户端建立连接，此时内核会把连接从半连接队列移除，然后创建新的连接，并将其添加到全连接队列，等待进程调用。

如果服务器繁忙，来不及调用连接导致全连接队列溢出，服务器就会放弃当前握手连接，发送RST给客户端，即connection reset by peer。

在linux平台上，客户端在进行高并发TCP连接处理时，最高并发数量都要受系统对用户单一进程同时打开文件数量的限制（这是因为系统每个TCP都是SOCKET句柄，每个soker句柄都是一个文件），当打开连接超过限制，就会出现too many open files。

使用下指令查看最大句柄数量：

增加句柄解决方案

如何编程自己实现tcp/ip的三次握手

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。

第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据，在上述过程中，还有一些重要的概念：

未连接队列：在三次握手协议中，服务器维护一个未连接队列，该队列为每个客户端的SYN包（syn=j）开设一个条目，该条目表明服务器已收到SYN包，并向客户发出确认，正在等待客户的确认包。这些条目所标识的连接在服务器处于Syn_RECV状态，当服务器收到客户的确认包时，删除该条目，服务器进入ESTABLISHED状态。

Backlog参数：表示未连接队列的最大容纳数目。

SYN-ACK

重传次数

服务器发送完SYN－ACK包，如果未收到客户确认包，服务器进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进行第二次重传，如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意，每次重传等待的时间不一定相同。

半连接存活时间：是指半连接队列的条目存活的最长时间，也即服务从收到SYN包到确认这个报文无效的最长时间，该时间值是所有重传请求包的最长等待时间总和。有时我们也称半连接存活时间为Timeout时间、SYN_RECV存活时间。

WebSocket的实现原理

Websocket是应用层第七层上的一个应用层协议，它必须依赖 HTTP 协议进行一次握手 ，握手成功后，数据就直接从 TCP 通道传输，与 HTTP 无关了。即：websocket分为握手和数据传输阶段，即进行了HTTP握手 + 双工的TCP连接。

下面我们分别来看一下这两个阶段的具体实现原理：

客户端发送消息：

服务端返回消息：

这里值得注意的是 Sec-WebSocket-Accept的计算方法 ：

base64(hsa1(sec-websocket-key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11))

如果这个Sec-WebSocket-Accept计算错误浏览器会提示：Sec-WebSocket-Accept dismatch

如果返回成功，Websocket就会回调onopen事件

Websocket的数据传输是frame形式传输的，比如会将一条消息分为几个frame，按照先后顺序传输出去。这样做会有几个好处：

websocket传输使用的协议如下图：

参数说明如下：

我们了解了websocket的实现原理之后，请看以下golang的实现案例：

html和js使用案例：

Go 语言自我提升 (三次握手 - 四次挥手 - TCP状态图 - udp - 网络文件传输)

三次握手：

1. 主动发起连接请求端（客户端），发送 SYN 标志位，携带数据包、包号

2. 被动接收连接请求端（服务器），接收 SYN，回复 ACK，携带应答序列号。同时，发送SYN标志位，携带数据包、包号

3. 主动发起连接请求端（客户端），接收SYN 标志位，回复 ACK。

被动端（服务器）接收 ACK —— 标志着 三次握手建立完成（ Accept()/Dial() 返回 ）

四次挥手：

1. 主动请求断开连接端（客户端）， 发送 FIN标志，携带数据包

2. 被动接受断开连接端（服务器）， 发送 ACK标志，携带应答序列号。 —— 半关闭完成。

3. 被动接受断开连接端（服务器）， 发送 FIN标志，携带数据包

4. 主动请求断开连接端（客户端）， 发送 最后一个 ACK标志，携带应答序列号。—— 发送完成，客户端不会直接退出，等 2MSL时长。

等 2MSL待目的：确保服务器 收到最后一个ACK

滑动窗口：

通知对端本地存储数据的 缓冲区容量。—— write 函数在对端 缓冲区满时，有可能阻塞。

TCP状态转换：

1. 主动发起连接请求端：

CLOSED —— 发送SYN —— SYN_SENT(了解) —— 接收ACK、SYN，回发 ACK —— ESTABLISHED (数据通信)

2. 主动关闭连接请求端：

ESTABLISHED —— 发送FIN —— FIN_WAIT_1 —— 接收ACK —— FIN_WAIT_2 (半关闭、主动端)

—— 接收FIN、回复ACK —— TIME_WAIT (主动端) —— 等 2MSL 时长 —— CLOSED

3. 被动建立连接请求端：

CLOSED —— LISTEN —— 接收SYN、发送ACK、SYN —— SYN_RCVD —— 接收 ACK —— ESTABLISHED (数据通信)

4. 被动断开连接请求端：

ESTABLISHED —— 接收 FIN、发送 ACK —— CLOSE_WAIT —— 发送 FIN —— LAST_ACK —— 接收ACK —— CLOSED

windows下查看TCP状态转换：

netstat -an | findstr  端口号

Linux下查看TCP状态转换：

netstat -an | grep  端口号

TCP和UDP对比: 

TCP: 面向连接的可靠的数据包传递。 针对不稳定的 网络层，完全弥补。ACK

UDP：无连接不可靠的报文传输。 针对不稳定的 网络层，完全不弥补。还原网络真实状态。

优点                                                             缺点

TCP： 可靠、顺序、稳定                                      系统资源消耗大，程序实现繁复、速度慢

UDP：系统资源消耗小，程序实现简单、速度快                          不可靠、无序、不稳定

使用场景：

TCP：大文件、可靠数据传输。 对数据的 稳定性、准确性、一致性要求较高的场合。

UDP：应用于对数据时效性要求较高的场合。 网络直播、电话会议、视频直播、网络游戏。

UDP-CS-Server实现流程：

1.  创建 udp地址结构 ResolveUDPAddr(“协议”， “IP：port”) —— udpAddr 本质 struct{IP、port}

2.  创建用于 数据通信的 socket ListenUDP(“协议”, udpAddr ) —— udpConn (socket)

3.  从客户端读取数据，获取对端的地址 udpConn.ReadFromUDP() —— 返回：n，clientAddr， err

4.  发送数据包给 客户端 udpConn.WriteToUDP("数据"， clientAddr)

UDP-CS-Client实现流程：

1.  创建用于通信的 socket。 net.Dial("udp", "服务器IP：port") —— udpConn (socket)

2.  以后流程参见 TCP客户端实现源码。

UDPserver默认就支持并发！

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命令行参数： 在main函数启动时，向整个程序传参。 【重点】

语法： go run xxx.go   argv1 argv2  argv3  argv4 。。。

xxx.exe:  第 0 个参数。

argv1 ：第 1 个参数。

argv2 ：第 2 个参数。

argv3 ：第 3 个参数。

argv4 ：第 4 个参数。

使用： list := os.Args  提取所有命令行参数。

获取文件属性函数：

os.stat(文件访问绝对路径) —— fileInfo 接口

fileInfo 包含 两个接口。

Name() 获取文件名。 不带访问路径

Size() 获取文件大小。

网络文件传输 —— 发送端（客户端）

1.  获取命令行参数，得到文件名（带路径）filePath list := os.Args

2.  使用 os.stat() 获取 文件名（不带路径）fileName

3.  创建 用于数据传输的 socket  net.Dial("tcp"， “服务器IP+port”) —— conn

4.  发送文件名(不带路径)  给接收端， conn.write()

5.  读取 接收端回发“ok”，判断无误。封装函数 sendFile(filePath, conn) 发送文件内容

6.  实现 sendFile(filePath,  conn)

1) 只读打开文件 os.Open(filePath)

for {

2) 从文件中读数据  f.Read(buf)

3) 将读到的数据写到socket中  conn.write(buf[:n])

4）判断读取文件的 结尾。 io.EOF. 跳出循环

}

网络文件传输 —— 接收端（服务器）

1. 创建用于监听的 socket net.Listen() —— listener

2. 借助listener 创建用于 通信的 socket listener.Accpet()  —— conn

3. 读取 conn.read() 发送端的 文件名， 保存至本地。

4. 回发 “ok”应答 发送端。

5. 封装函数，接收文件内容 recvFile(文件路径)

1) f = os.Create(带有路径的文件名)

for {

2）从 socket中读取发送端发送的 文件内容 。 conn.read(buf)

3)  将读到的数据 保存至本地文件 f.Write(buf[:n])

4)  判断 读取conn 结束， 代表文件传输完成。 n == 0  break

}

名称栏目：go语言实现tcp握手的简单介绍
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