Web服務(wù)基礎(chǔ)

一、HTTP概述

HTTP是HyperText Transfer Protocol的縮寫，即超文本傳輸協(xié)議。HTTP是應(yīng)用層協(xié)議，同其他應(yīng)用層協(xié)議一樣，是為了實(shí)現(xiàn)某一類具體應(yīng)用的協(xié)議，并由某一運(yùn)行在用戶空間的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)其功能。HTTP是一種協(xié)議規(guī)范，這種規(guī)范是記錄在文檔上的，為真正通過HTTP協(xié)議進(jìn)行通信的HTTP的實(shí)現(xiàn)程序。我們知道，HTTP協(xié)議是基于C/S架構(gòu)的進(jìn)行通信的，而HTTP協(xié)議的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)程序有httpd、nginx等，其客戶端的實(shí)現(xiàn)程序主要是Web瀏覽器，例如Firefox、Internet Explorer、Google chrome、Safari、Opera等，此外，客戶端的命令行工具還有elink、crul等。Web服務(wù)是基于TCP的，因此為了能夠隨時(shí)響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求，Web服務(wù)器需要監(jiān)聽在80/TCP端口。這客戶端瀏覽器和Web服務(wù)器之間就可以通過HTTP協(xié)議進(jìn)行通信了。

二、IANA定義的端口

我們知道，Web服務(wù)器為了讓所有客戶瀏覽器程序能夠與之通信，通常都需要監(jiān)聽在80端口。用戶在瀏覽器上鍵入U(xiǎn)RL時(shí)，例如：www.baidu.com，默認(rèn)端口就是80。這一端口是由IANA（Internet Assigned Numbers Authority ）分配指定的。另外，IANA是由ICANN管理的，其定義的端口如下：

①0-1023：眾所周知的端口，永久地分配給固定的應(yīng)用使用，這些端口的使用需要特定的應(yīng)用去注冊(cè)，屬于特權(quán)端口，例如Web服務(wù)的80/tcp，F(xiàn)TP的21/tcp等。該類端口只有系統(tǒng)管理員才有權(quán)限啟用，并讓進(jìn)程監(jiān)聽，而普通用戶則沒有權(quán)限。

②1024-41951：亦為注冊(cè)端口，但要求不是特別嚴(yán)格，這些端口分配給程序，并注冊(cè)為某個(gè)應(yīng)用使用，但這些應(yīng)用并不是很常見，例如mysql服務(wù)的3306/tcp，memcache的11211/tcp等。

③41952+：客戶端程序隨機(jī)使用的端口，為動(dòng)態(tài)端口，或私有端口。在Linux上該類端口范圍定義在/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range中。

三、BSD Socket

BSD Socket最早是BSD Unix系統(tǒng)的進(jìn)程通信機(jī)制。Socket即為套接字，作為IPC（Inter-Process Communication，進(jìn)程間通信）的一種實(shí)現(xiàn)，允許位于不同主機(jī)上（也可以是同一主機(jī)上）的進(jìn)程間通信機(jī)制。Socket可理解為“插座”，只要電線插上了這個(gè)“插座”，就可以進(jìn)行通信了。Socket本質(zhì)上應(yīng)該是Socket API，它封裝了內(nèi)核中socket通信相關(guān)的通信細(xì)節(jié)，也就是封裝了通信子網(wǎng)（傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層）要實(shí)現(xiàn)的具體的通信細(xì)節(jié)，而程序員通過調(diào)用Socket API就可以編寫能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的程序了。

Socket描述的是IP地址和端口。不同的服務(wù)所對(duì)應(yīng)的端口號(hào)不同，每種服務(wù)需要綁定并監(jiān)聽在一個(gè)端口上，打開一個(gè)Socket，而客戶端可以通過一個(gè)Socket跟服務(wù)器上的Socket建立連接，這樣二者就能實(shí)現(xiàn)通信了，我們把正處于通信狀態(tài)的一對(duì)套接字稱為已連接套接字。總的來說，Socket是應(yīng)用層與傳輸層之間的橋梁，如圖。

前面提到，Socket是對(duì)IP地址和端口號(hào)的描述，一個(gè)IP地址+一個(gè)端口就是一個(gè)套接字(socket)。根據(jù)Socket在傳輸層使用的協(xié)議可分為以下三類：

(1)SOCK_STREAM：tcp套接字

(2)SOCK_DGRAM：udp套接字

(3)SOCK_RAW：raw套接字

這里的raw套接字指的是在不使用任何傳輸層協(xié)議（例如tcp, udp等）的情況下直接通過發(fā)送或接收IP數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)通信的一種方式，也就是應(yīng)用層直接繞過像tcp/udp這樣的協(xié)議直接基于IP數(shù)據(jù)包通信。

根據(jù)Socket監(jiān)聽的地址格式，Socket Domain可分為：

(1)AF_INET：Address Family，IPv4地址格式

(2)AF_INET6：Address Family，IPv6地址格式

(3)AF_UNIX：Address Family，同一主機(jī)上不同進(jìn)程間基于Socket套接字通信所使用的一種地址格式，這種地址的表現(xiàn)形式就是一個(gè)套接字文件（Linux一切皆文件）；這種地址又稱為Unix_SOCK.

接下來介紹TCP客戶端和服務(wù)器是如何通過TCP套接字接口進(jìn)行通信的。如圖。

對(duì)于TCP服務(wù)器端來說，首先需要調(diào)用socket()函數(shù)，向內(nèi)核注冊(cè)申請(qǐng)創(chuàng)建TCP套接字(IP地址+端口)；一旦申請(qǐng)成功了，就要通過bind()函數(shù)綁定程序到這個(gè)套接字上；綁定之后，需要調(diào)用listen()函數(shù)，使服務(wù)器進(jìn)程監(jiān)聽在這個(gè)套接字上，允許套接字進(jìn)行連接，但此時(shí)還不能接收用戶請(qǐng)求；只有再調(diào)用accept()函數(shù)之后才開始負(fù)責(zé)接收客戶端請(qǐng)求，并在客戶端請(qǐng)求到達(dá)之前一直處于阻塞狀態(tài)，此時(shí)TCP服務(wù)器進(jìn)程的狀態(tài)為LISTEN。

對(duì)于TCP客戶端來說，同樣需要調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建套接字，但不需要監(jiān)聽；當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求時(shí)，即調(diào)用connect()函數(shù)，其中在括號(hào)中的參數(shù)包括對(duì)方服務(wù)器的IP地址和端口；如果服務(wù)器接收連接請(qǐng)求，則雙方進(jìn)行了tcp三次握手，建立雙向的虛鏈路，此時(shí)客戶端和服務(wù)器之間的套接字處于已連接狀態(tài)(ESTABLISHED)，之后的http請(qǐng)求/響應(yīng)報(bào)文都是基于此前建立的虛鏈路進(jìn)行發(fā)送。

在Linux上，當(dāng)連接建立之后，客戶端就可以在與服務(wù)器建立連接的socket文件上填寫需要請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)就相當(dāng)于向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)了，此過程通過調(diào)用write()函數(shù)完成；而服務(wù)器端則可以在與客戶端建立連接的socket文件上讀取數(shù)據(jù)，即調(diào)用read()函數(shù)，這一過程相當(dāng)于接收客戶端請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，二者之間具體的通信細(xì)節(jié)由底層的通信子網(wǎng)完成。服務(wù)器讀取到客戶端發(fā)送過來的請(qǐng)求報(bào)文后，接著進(jìn)行解析請(qǐng)求、處理請(qǐng)求并構(gòu)建響應(yīng)報(bào)文，再通過調(diào)用write()函數(shù)把響應(yīng)報(bào)文寫入socket文件，通過通信子網(wǎng)傳送到客戶端的socket文件上，客戶端就可以通過這個(gè)socket文件得到服務(wù)器的響應(yīng)報(bào)文了。如此往復(fù)循環(huán)多次，直到客戶端請(qǐng)求斷開連接（一般是由客戶端主動(dòng)請(qǐng)求斷開連接，在使用keep-alive連接方式時(shí)則有可能是服務(wù)器主動(dòng)請(qǐng)求斷開連接）。

一旦客戶端請(qǐng)求斷開連接，TCP服務(wù)器通過調(diào)用read()函數(shù)讀取socket文件內(nèi)的斷開請(qǐng)求數(shù)據(jù)，同意斷開連接。