Go语言Telnet回音服务器——TCP服务器的基本结构

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Telnet 协议是 TCP/IP 协议族中的一种。它允许用户(Telnet客户端)通过一个协商过程与一个远程设备进行通信。本例将使用一部分 Telnet 协议与服务器进行通信。

服务器的网络库为了完整展示自己的代码实现了完整的收发过程,一般比较倾向于使用发送任意封包返回原数据的逻辑。这个过程类似于对着大山高喊,大山把你的声音原样返回的过程。也就是回音(Echo)。本节使用 Go 语言中的 Socket、goroutine 和通道编写一个简单的 Telnet 协议的回音服务器。

回音服务器的代码分为 4 个部分,分别是接受连接、会话处理、Telnet 命令处理和程序入口。

接受连接

回音服务器能同时服务于多个连接。要接受连接就需要先创建侦听器,侦听器需要一个侦听地址和协议类型。就像你想卖东西,需要先确认卖什么东西,卖东西的类型就是协议类型,然后需要一个店面,店面位于街区的某个位置,这就是侦听器的地址。一个服务器可以开启多个侦听器,就像一个街区可以有多个店面。街区上的编号对应的就是地址中的端口号,如下图所示。


图:IP和端口号
 
  • 主机 IP:一般为一个 IP 地址或者域名,127.0.0.1 表示本机地址。
  • 端口号:16 位无符号整型值,一共有 65536 个有效端口号。

通过地址和协议名创建侦听器后,可以使用侦听器响应客户端连接。响应连接是一个不断循环的过程,就像到银行办理业务时,一般是排队处理,前一个人办理完后,轮到下一个人办理。

我们把每个客户端连接处理业务的过程叫做会话。在会话中处理的操作和接受连接的业务并不冲突可以同时进行。就像银行有 3 个窗口,喊号器会将用户分配到不同的柜台。这里的喊号器就是 Accept 操作,窗口的数量就是 CPU 的处理能力。因此,使用 goroutine 可以轻松实现会话处理和接受连接的并发执行。

如下图清晰地展现了这一过程。


图:Socket 处理过程

Go语言中可以根据实际会话数量创建多个goroutine,并自动的调度它们的处理。

telnet 服务器处理:
package main

import (
    "fmt"
    "net"
)

// 服务逻辑, 传入地址和退出的通道
func server(address string, exitChan chan int) {

    // 根据给定地址进行侦听
    l, err := net.Listen("tcp", address)

    // 如果侦听发生错误, 打印错误并退出
    if err != nil {
        fmt.Println(err.Error())
        exitChan <- 1
    }

    // 打印侦听地址, 表示侦听成功
    fmt.Println("listen: " + address)

    // 延迟关闭侦听器
    defer l.Close()

    // 侦听循环
    for {

        // 新连接没有到来时, Accept是阻塞的
        conn, err := l.Accept()

        // 发生任何的侦听错误, 打印错误并退出服务器
        if err != nil {
            fmt.Println(err.Error())
            continue
        }

        // 根据连接开启会话, 这个过程需要并行执行
        go handleSession(conn, exitChan)
    }
}
代码说明如下:
  • 第 9 行,接受连接的入口,address 为传入的地址,退出服务器使用 exitChan 的通道控制。往 exitChan 写入一个整型值时,进程将以整型值作为程序返回值来结束服务器。
  • 第 12 行,使用 net 包的 Listen() 函数进行侦听。这个函数需要提供两个参数,第一个参数为协议类型,本例需要做的是 TCP 连接,因此填入“tcp”;address 为地址,格式为“主机:端口号”。
  • 第 15 行,如果侦听发生错误,通过第 17 行,往 exitChan 中写入非 0 值结束服务器,同时打印侦听错误。
  • 第 24 行,使用 defer,将侦听器的结束延迟调用。
  • 第 27 行,侦听开始后,开始进行连接接受,每次接受连接后需要继续接受新的连接,周而复始。
  • 第 30 行,服务器接受了一个连接。在没有连接时,Accept() 函数调用后会一直阻塞。连接到来时,返回 conn 和错误变量,conn 的类型是 *tcp.Conn。
  • 第 33 行,某些情况下,连接接受会发生错误,不影响服务器逻辑,这时重新进行新连接接受。
  • 第 39 行,每个连接会生成一个会话。这个会话的处理与接受逻辑需要并行执行,彼此不干扰。

会话处理

每个连接的会话就是一个接收数据的循环。当没有数据时,调用 reader.ReadString 会发生阻塞,等待数据的到来。一旦数据到来,就可以进行各种逻辑处理。

回音服务器的基本逻辑是“收到什么返回什么”,reader.ReadString 可以一直读取 Socket 连接中的数据直到碰到期望的结尾符。这种期望的结尾符也叫定界符,一般用于将 TCP 封包中的逻辑数据拆分开。下例中使用的定界符是回车换行符(“rn”),HTTP 协议也是使用同样的定界符。使用 reader.ReadString() 函数可以将封包简单地拆分开。

如下图所示为 Telnet 数据处理过程。


图:Telnet 数据处理过程

回音服务器需要将收到的有效数据通过 Socket 发送回去。

Telnet会话处理:
package main

import (
    "bufio"
    "fmt"
    "net"
    "strings"
)

// 连接的会话逻辑
func handleSession(conn net.Conn, exitChan chan int) {

    fmt.Println("Session started:")

    // 创建一个网络连接数据的读取器
    reader := bufio.NewReader(conn)

    // 接收数据的循环
    for {

        // 读取字符串, 直到碰到回车返回
        str, err := reader.ReadString('n')

        // 数据读取正确
        if err == nil {

            // 去掉字符串尾部的回车
            str = strings.TrimSpace(str)

            // 处理Telnet指令
            if !processTelnetCommand(str, exitChan) {
                conn.Close()
                break
            }

            // Echo逻辑, 发什么数据, 原样返回
            conn.Write([]byte(str + "rn"))

        } else {
            // 发生错误
            fmt.Println("Session closed")
            conn.Close()
            break
        }
    }

}
代码说明如下:
  • 第 11 行是会话入口,传入连接和退出用的通道。handle Session() 函数被并发执行。
  • 第 16 行,使用 bufio 包的 NewReader() 方法,创建一个网络数据读取器,这个 Reader 将输入数据的读取过程进行封装,方便我们迅速获取到需要的数据。
  • 第 19 行,会话处理开始时,从 Socket 连接,通过 reader 读取器读取封包,处理封包后需要继续读取从网络发送过来的下一个封包,因此需要一个会话处理循环。
  • 第 22 行,使用 reader.ReadString() 方法进行封包读取。内部会自动处理粘包过程,直到下一个回车符到达后返回数据。这里认为封包来自 Telnet,每个指令以回车换行符(“rn”)结尾。
  • 第 25 行,数据读取正常时,返回 err 为 nil。如果发生连接断开、接收错误等网络错误时,err 就不是 nil 了。
  • 第 28 行,reader.ReadString 读取返回的字符串尾部带有回车符,使用 strings.TrimSpace() 函数将尾部带的回车和空白符去掉。
  • 第 31 行,将 str 字符串传入 Telnet 指令处理函数 processTelnetCommand() 中,同时传入退出控制通道 exitChan。当这个函数返回 false 时,表示需要关闭当前连接。
  • 第 32 行和第 33 行,关闭当前连接并退出会话接受循环。
  • 第 37 行,将有效数据通过 conn 的 Write() 方法写入,同时在字符串尾部添加回车换行符(“rn”),数据将被 Socket 发送给连接方。
  • 第 41~43 行,处理当 reader.ReadString() 函数返回错误时,打印错误信息并关闭连接,退出会话并接收循环。

Telnet命令处理

Telnet 是一种协议。在操作系统中可以在命令行使用 Telnet 命令发起 TCP 连接。我们一般用 Telnet 来连接 TCP 服务器,键盘输入一行字符回车后,即被发送到服务器上。

在下例中,定义了以下两个特殊控制指令,用以实现一些功能:
  • 输入“@close”退出当前连接会话。
  • 输入“@shutdown”终止服务器运行。

Telnet命令处理:
package main

import (
    "fmt"
    "strings"
)

func processTelnetCommand(str string, exitChan chan int) bool {

    // @close指令表示终止本次会话
    if strings.HasPrefix(str, "@close") {

        fmt.Println("Session closed")

        // 告诉外部需要断开连接
        return false

        // @shutdown指令表示终止服务进程
    } else if strings.HasPrefix(str, "@shutdown") {

        fmt.Println("Server shutdown")

        // 往通道中写入0, 阻塞等待接收方处理
        exitChan <- 0

        // 告诉外部需要断开连接
        return false
    }

    // 打印输入的字符串
    fmt.Println(str)

    return true

}
代码说明如下:
  • 第 8 行,处理 Telnet 命令的函数入口,传入有效字符并退出通道。
  • 第 11~16 行,当输入字符串中包含“@close”前缀时,在第 16 行返回 false,表示需要关闭当前会话。
  • 第 19~27 行,当输入字符串中包含“@shutdown”前缀时,第 24 行将 0 写入 exitChan,表示结束服务器。
  • 第 31 行,没有特殊的控制字符时,打印输入的字符串。

程序入口

Telnet 回音处理主流程:
package main

import (
    "os"
)

func main() {

    // 创建一个程序结束码的通道
    exitChan := make(chan int)

    // 将服务器并发运行
    go server("127.0.0.1:7001", exitChan)

    // 通道阻塞, 等待接收返回值
    code := <-exitChan

    // 标记程序返回值并退出
    os.Exit(code)
}
代码说明如下:
  • 第 10 行,创建一个整型的无缓冲通道作为退出信号。
  • 第 13 行,接受连接的过程可以并发操作,使用 go 将 server() 函数开启 goroutine。
  • 第 16 行,从 exitChan 中取出返回值。如果取不到数据就一直阻塞。
  • 第 19 行,将程序返回值传入 os.Exit() 函数中并终止程序。

编译所有代码并运行,命令行提示如下:

listen: 127.0.0.1:7001

此时,Socket 侦听成功。在操作系统中的命令行中输入:

telnet 127.0.0.1 7001

尝试连接本地的 7001 端口。接下来进入测试服务器的流程。

测试输入字符串

在 Telnet 连接后,输入字符串 hello,Telnet 命令行显示如下:

$ telnet 127.0.0.1 7001
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
hello
hello

服务器显示如下:

listen: 127.0.0.1:7001
Session started:
hello

客户端输入的字符串会在服务器中显示,同时客户端也会收到自己发给服务器的内容,这就是一次回音。

测试关闭会话

当输入 @close 时,Telnet 命令行显示如下:

@close
Connection closed by foreign host

服务器显示如下:

Session closed

此时,客户端 Telnet 与服务器断开连接。

测试关闭服务器

当输入 @shutdown 时,Telnet 命令行显示如下:

@shutdown
Connection closed by foreign host

服务器显示如下:

Server shutdown

此时服务器会自动关闭。