Wie Go's net/http Paket TCP-Verbindungen verwaltet

Vorwort

Bevor wir beginnen, wollen wir kurz zwei Konzepte besprechen – Socket und File Descriptor – um das spätere Verständnis zu erleichtern.

Was ist ein Socket?

Ein Socket ist die grundlegende Abstraktion für die Netzwerkkommunikation. Er bietet eine Standardschnittstelle für Anwendungen, um auf den Netzwerkprotokollstapel zuzugreifen. Einfach ausgedrückt ist ein Socket ein Endpunkt für die Netzwerkkommunikation, der es Programmen auf verschiedenen Computern ermöglicht, Daten über das Netzwerk auszutauschen.

Hauptmerkmale von Sockets:

• Er dient als Schnittstelle zwischen der Anwendungsschicht und der Transportschicht.
• Er kann als eine spezielle Art von Datei betrachtet werden, die Lese- und Schreiboperationen unterstützt.
• Es gibt verschiedene Typen: TCP-Sockets (verbindungsorientiert), UDP-Sockets (verbindungslos) usw.

Was ist ein File Descriptor?

Ein File Descriptor ist ein ganzzahliger Wert, der vom Betriebssystem verwendet wird, um geöffnete Dateien zu identifizieren und zu verwalten. In Unix/Linux-Systemen wird alles als Datei betrachtet, einschließlich regulärer Dateien, Verzeichnisse, Geräte und sogar Netzwerkverbindungen.

Wichtige Punkte zu File Descriptors:

• Es ist eine nicht-negative ganze Zahl, die normalerweise bei 0 beginnt (0 ist die Standardeingabe, 1 ist die Standardausgabe, 2 ist die Standardfehlerausgabe).
• Im OS-Kernel ist der File Descriptor ein Index, der auf einen Eintrag in der Dateitabelle verweist.
• Jeder Prozess hat seine eigene File-Descriptor-Tabelle.

Beziehung zwischen Sockets und File Descriptors

In Unix/Linux-Systemen werden Sockets auch als eine spezielle Art von Datei betrachtet, daher haben sie auch entsprechende File Descriptors. Wenn Sie einen Socket erstellen:

• Das Betriebssystem weist einen File Descriptor zu.
• Dieser File Descriptor kann für nachfolgende Netzwerkoperationen verwendet werden (Lesen, Schreiben, Schließen usw.).
• Die Anwendung interagiert über diesen File Descriptor mit dem Socket.

TCP-Verbindungsaufbauprozess

Socket-Erstellung

// Implementierung innerhalb des net-Pakets
fd, err := socket(family, syscall.SOCK_STREAM, syscall.IPPROTO_TCP)

Dieser Schritt erstellt einen Socket-File-Descriptor über einen Systemaufruf.

Server Binding (Bind) und Listening (Listen)

// Vereinfachter serverseitiger Codefluss
bind(fd, addr)
listen(fd, backlog)

Der Server bindet den Socket an eine bestimmte Adresse und einen bestimmten Port und beginnt dann, auf Verbindungsanfragen zu warten.

Akzeptieren von Verbindungen (Accept)

// net/http/server.go vereinfachte Version
func (srv *Server) Serve(l net.Listener) error {
    for {
        rw, err := l.Accept()  // Eine neue Verbindung akzeptieren
        if err != nil {
            // Den Fehler behandeln
            continue
        }
        go srv.newConn(rw).serve(ctx)  // Eine neue Goroutine für jede Verbindung erstellen
    }
}

Client-Verbindung (Connect)

// net/http/transport.go vereinfachte Version
func (t *Transport) dialConn(ctx context.Context, addr string) (*conn, error) {
    // Eine TCP-Verbindung erstellen
    netConn, err := t.dial(ctx, "tcp", addr)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    // Sie als HTTP-Verbindung umschließen
    return &conn{
        conn: netConn,
        // ... andere Felder
    }, nil
}

Datenübertragung:

// Daten lesen
n, err := syscall.Read(fd, buf)
// Daten schreiben
n, err := syscall.Write(fd, data)

Schließen der Verbindung:

err := syscall.Close(fd)

Wichtige Implementierungsdetails

Multiplexing

• HTTP/1.1 verwendet den Keep-Alive-Mechanismus, um TCP-Verbindungen wiederzuverwenden.
• HTTP/2 implementiert Multiplexing durch Streams, wodurch mehrere HTTP-Anfragen eine einzelne TCP-Verbindung gemeinsam nutzen können.

Verbindungspool-Verwaltung

// net/http/transport.go
type Transport struct {
    // Leerlaufverbindungspool
    idleConn     map[connectMethodKey][]*persistConn
    // Maximale Anzahl von Leerlaufverbindungen
    maxIdleConns int
    // ... andere Felder
}

Timeout-Steuerung

// Verbindungstimeout festlegen
conn.SetDeadline(time.Now().Add(timeout))

Fehlerbehandlung und Wiederholungsmechanismus

// Vereinfachte Wiederholungslogik
for retry := 0; retry < maxRetries; retry++ {
    conn, err := dial()
    if err == nil {
        return conn
    }
    // Warten und wiederholen
    time.Sleep(backoff)
}

Workflow

Wenn der Client eine HTTP-Anfrage initiiert:

1. Zuerst prüfen, ob sich eine verfügbare Verbindung im Verbindungspool befindet.
2. Wenn nicht, eine neue TCP-Verbindung erstellen.
3. Die HTTP-Anfragedaten senden.
4. Auf die Antwort warten und diese lesen.

Wenn der Server eine Anfrage verarbeitet:

1. Die Accept-Schleife empfängt neue Verbindungen.
2. Für jede Verbindung eine Goroutine erstellen.
3. Die HTTP-Anfrage parsen.
4. Die Anfrage verarbeiten und die Antwort zurückgeben.

Dies ist der Kernmechanismus, mit dem das net/http-Paket HTTP-Verbindungen auf dem TCP-Protokoll implementiert. Durch Abstraktion und Kapselung müssen Entwickler sich nicht direkt mit den zugrunde liegenden Details von TCP-Verbindungen befassen, während effiziente Verbindungsverwaltung- und Wiederverwendungsmechanismen bereitgestellt werden.

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