2023一文浅析Node中的TCP和UDP

Node 是一个面向网络而生的平台，它具有事件驱动、无阻塞、单线程等特性，具备良好的可伸缩性，使得它十分轻量，适合在分布式网络中扮演各种各样的角色。

Node 提供了 net、dgram、http、http2、https 等模块，分别用于处理 TCP、UDP、HTTP、HTTPS，适用于服务端和客户端。

构建 TCP 服务

TCP 服务在网络应用中十分常见,目前大多数的应用都是基于 TCP 搭建而成的,它的全名为传输控制协议,在 OSI 模型中属于传输层协议,许多应用层协议基于 TCP 构建,典型的 HTTP、SMTP、IMAP 等协议。在这里不讲 TCP 相关知识点了,如果感兴趣可以关注我 计算机网络 这个专栏进行学习。

创建 TCP 服务端

在基本了解 TCP 的工作原理之后,我们可以开始创建一个 TCP 服务器端来接受网络请求,net 模块提供了一个异步网络 API,用于创建基于 stream 的 TCP 或 IPC 服务器和客户端。【相关教程推荐：nodejs视频教程、编程教学】

请看下面这个例子,我们在 server.js 文件中编写以下代码,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");
});

我们通过 net.createServer(listener) 即可创建一个 TCP 服务器,该函数的参数是里链接事件 connection 的侦听器。

当我们在终端执行该文件时,服务创建成功 输出在了终端。

nodemon .\server.js

在前面我们通过 net.createServer 创建了一个服务端,那么接下来我们使用 net.connect 创建一个客户端进行会话,具体代码如下所示:

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");
});

我们这个时候对两个文件执行,如下所示:

接下来我们还有这样的一个例子,具体代码如下图所示:

具体运行结果请看下面的动图:

在客户端我使用 client.write() 发送了多次数据,但是只有 setTimeout 之外的是正常的，setTimeout 里面连续发送的似乎并不是每一次一返回,而是会随机合并返回了,在这里也就出现了粘包了。

TCP 针对网络中的小数据包有一定的优化策略: Negle 算法,如果每次只发送一个字节的内容而不优化,网络中将充满只有极少数有效数据的数据报,将十分浪费网络资源,该算法针对这种情况,要求缓冲区的数据达到一定数量或者一定时间后才将其发出,所以小数据包将会被该算法合并,以此来优化网络。这种优化虽然使网络有效地使用,但是数据有可能被延迟发送。

在 Node 中,由于 TCP 默认启用了 Negle 算法,可以调用 socket.setNoDelay(true) 去掉 Negle 算法,使得 write() 可以立即发送数据到网络中:

关闭 Nagle 算法并不总是有效的,因为其是在服务端完成合并,TCP 接收到数据会先存放于自己的缓冲区中,然后通知应用接收,应用层因为网络或其它的原因若不能及时从 TCP 缓冲区中取出数据,也会造成 TCP 缓冲区中存放多段数据块,就又会形成粘包。

TCP原理

在 Node 中,调用 createServer() 等同于调用 new Server(),具体结果如下图所示:

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 UDP 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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