【PHP7源码学习】2019-04-09 FastCGI协议1

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NoSay
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    baiyan

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    计算机网络架构的分层与封装

    • 我们经常谈到，计算机网络有多种体系架构，如OSI七层模型、TCP/IP四层模型等等。那么，为什么要将计算机网络分成这么多层呢？而且，每一层都要加上其特有的头部（如TCP头部、IP头部等等）进行封装，这样设计的原因又何在？
    • 首先我们看一个我们经常看到的C/S架构数据流动过程图：

    • 我们以TCP/IP四层网络体系架构为例，总结一下各层服务的作用：
    • 应用层：用户直接能够操作的层，处理应用程序的逻辑，在用户空间实现
    • 传输层：为两台计算机上的应用程序提供端到端的通信，实现了数据经过网络层到达计算机后能够分发到各个端口（分用），在内核空间实现
    • 网络层：提供精确到两端计算机互联网IP地址的通信，实现了数据包在互联网上的选路与转发，在内核空间实现
    • 数据链路层：提供基于物理媒介（如网卡）的数据传输服务，在内核空间实现
    • 首先谈谈为什么要分层。在我们实际的项目开发过程中，我们常常提到的模块化、服务化，其实和计算机网络为什么要分层的原理类似。我们可以将每一层都看成一个模块、一个服务，其内部的实现细节对于上一层或者下一层都是隐藏的，可能只对外暴露一些API而已。如果上层要使用下层提供的服务，根本不需要关注下一层内部的实现细节，只需使用下层提供的API即可。这样一来，方便了开发与维护，进而提高了计算机网络整体的运作效率。
    • 我们再谈为什么要封装。刚才我们谈到了每个模块都是独立的。上层为了使用下层提供的服务，必须封装。举个例子，应用层想使用传输层提供的端到端的数据传输服务，那么传输层就会将应用层下发的数据先存起来。为了实现端到端的数据传输，传输层模块内部需要标识双方的端口号。所以，它就会将端口号还有一些额外的信息（被称作(TCP/UDP)首部），和应用层下发的数据部分进行封装，一起传给下一层（即网络层）。这样，通过封装每一层特有的头部，实现了每一层独特的功能，最终实现了精确到端口号的端到端数据传输服务。

    为什么需要FastCGI协议

    • 在LNMP架构中，客户端浏览器与nginx代理是通过HTTP协议进行通信的。在请求到达nginx之后，数据最终会被转发给上游的PHP-FPM。它们之间的通信，属于同一机器上、不同端口号之间的通信。FastCGI协议同HTTP协议一样，是基于TCP协议的，处于TCP协议的上层。而 TCP协议传输的仅仅是无意义的字节流数据，接收方并不能正确读取数据的含义。所以，它们也需要一个类似于HTTP的协议的、一种格式或语法上的规范与约定。这样一来，通信双方才能够更好地理解、解析并正确读取对方传输的信息以及数据，理解数据发送方所表达的含义，这就是FastCGI协议开发的目的所在。

    抓包

    • 接下来我们会以nginx与PHP-FPM之前通信的数据包为例，利用tcpdump抓取二者通信的数据包。所以我们首先需要了解一下各层数据报头部的格式，但是具体每个字段的作用，我们会在接下来详细讲解，先让我们熟悉一下：

    数据链路层（以太网帧为例）

    网络层（IPv4协议为例）

    传输层（TCP协议为例）

    各层之间数据包的联系

    • 数据链路层是对网络层数据及头部的封装；
    • 网路层是对传输层数据及头部的封装；
    • 传输层是对应用层数据及头部的封装：

    • 由于FastCGI协议基于TCP协议，那么它一定会进行三次握手与四次挥手，中间的数据包是双方的数据交换，全部的数据包如下：
    [root@VM_0_3_centos ~]# tcpdump -i lo port 9000 -S -XX
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on lo, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
13:50:43.883490 IP VM_0_3_centos.33844 > VM_0_3_centos.cslistener: Flags [S], seq 608546013, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 961901286 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
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13:50:43.883520 IP VM_0_3_centos.cslistener > VM_0_3_centos.33844: Flags [S.], seq 2973795481, ack 608546014, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 961901286 ecr 961901286,nop,wscale 7], length 0
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
    0x0010:  003c 0000 4000 4006 3cba 7f00 0001 7f00  .<..@.@.<.......
    0x0020:  0001 2328 8434 b140 8499 2445 acde a012  ..#(.4.@..$E....
    0x0030:  aaaa fe30 0000 0204 ffd7 0402 080a 3955  ...0..........9U
    0x0040:  72e6 3955 72e6 0103 0307                 r.9Ur.....
13:50:43.883541 IP VM_0_3_centos.33844 > VM_0_3_centos.cslistener: Flags [.], ack 2973795482, win 342, options [nop,nop,TS val 961901286 ecr 961901286], length 0
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    0x0010:  0034 de3c 4000 4006 5e85 7f00 0001 7f00  .4.<@.@.^.......
    0x0020:  0001 8434 2328 2445 acde b140 849a 8010  ...4#($E...@....
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13:50:43.883594 IP VM_0_3_centos.33844 > VM_0_3_centos.cslistener: Flags [P.], seq 608546014:608546982, ack 2973795482, win 342, options [nop,nop,TS val 961901286 ecr 961901286], length 968
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
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    0x0050:  0000 0104 0001 03a0 0000 0f35 5343 5249  ...........5SCRI
    0x0060:  5054 5f46 494c 454e 414d 452f 6461 7461  PT_FILENAME/data
    0x0070:  2f77 7777 2f68 7464 6f63 732f 6461 7461  /www/htdocs/data
    0x0080:  2f77 7777 2f68 7464 6f63 732f 736e 6f2f  /www/htdocs/sno/
    0x0090:  7075 626c 6963 2f69 6e64 6578 2e70 6870  public/index.php
    0x00a0:  0c00 5155 4552 595f 5354 5249 4e47 0e03  ..QUERY_STRING..
    0x00b0:  5245 5155 4553 545f 4d45 5448 4f44 4745  REQUEST_METHODGE
    0x00c0:  540c 0043 4f4e 5445 4e54 5f54 5950 450e  T..CONTENT_TYPE.
    0x00d0:  0043 4f4e 5445 4e54 5f4c 454e 4754 480b  .CONTENT_LENGTH.
    0x00e0:  0a53 4352 4950 545f 4e41 4d45 2f69 6e64  .SCRIPT_NAME/ind
    0x00f0:  6578 2e70 6870 0b01 5245 5155 4553 545f  ex.php..REQUEST_
    0x0100:  5552 492f 0c01 444f 4355 4d45 4e54 5f55  URI/..DOCUMENT_U
    0x0110:  5249 2f0d 2b44 4f43 554d 454e 545f 524f  RI/.+DOCUMENT_RO
    0x0120:  4f54 2f64 6174 612f 7777 772f 6874 646f  OT/data/www/htdo
    0x0130:  6373 2f64 6174 612f 7777 772f 6874 646f  cs/data/www/htdo
    0x0140:  6373 2f73 6e6f 2f70 7562 6c69 630f 0853  cs/sno/public..S
    0x0150:  4552 5645 525f 5052 4f54 4f43 4f4c 4854  ERVER_PROTOCOLHT
    0x0160:  5450 2f31 2e31 0e04 5245 5155 4553 545f  TP/1.1..REQUEST_
    0x0170:  5343 4845 4d45 6874 7470 1107 4741 5445  SCHEMEhttp..GATE
    0x0180:  5741 595f 494e 5445 5246 4143 4543 4749  WAY_INTERFACECGI
    0x0190:  2f31 2e31 0f0c 5345 5256 4552 5f53 4f46  /1.1..SERVER_SOF
    0x01a0:  5457 4152 456e 6769 6e78 2f31 2e31 312e  TWAREnginx/1.11.
    0x01b0:  390b 0f52 454d 4f54 455f 4144 4452 3131  9..REMOTE_ADDR11
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    0x01d0:  454d 4f54 455f 504f 5254 3533 3931 330b  EMOTE_PORT53913.
    0x01e0:  0a53 4552 5645 525f 4144 4452 3137 322e  .SERVER_ADDR172.
    0x01f0:  3136 2e30 2e33 0b02 5345 5256 4552 5f50  16.0.3..SERVER_P
    0x0200:  4f52 5438 300b 0d53 4552 5645 525f 4e41  ORT80..SERVER_NA
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    0x0230:  3230 3009 0f48 5454 505f 484f 5354 3132  200..HTTP_HOST12
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    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
    0x0010:  00dc f67d 4000 4006 459c 7f00 0001 7f00  ...}@.@.E.......
    0x0020:  0001 2328 8434 b140 849a 2445 b0a6 8018  ..#(.4.@..$E....
    0x0030:  0165 fed0 0000 0101 080a 3955 72e8 3955  .e........9Ur.9U
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13:50:43.885396 IP VM_0_3_centos.cslistener > VM_0_3_centos.33844: Flags [F.], seq 2973795650, ack 608546982, win 357, options [nop,nop,TS val 961901288 ecr 961901288], length 0
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
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13:50:43.885667 IP VM_0_3_centos.33844 > VM_0_3_centos.cslistener: Flags [F.], seq 608546982, ack 2973795651, win 350, options [nop,nop,TS val 961901288 ecr 961901288], length 0
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
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13:50:43.885678 IP VM_0_3_centos.cslistener > VM_0_3_centos.33844: Flags [.], ack 608546983, win 357, options [nop,nop,TS val 961901288 ecr 961901288], length 0
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    • 我们可以看到，前三个包就是TCP的三次握手，经过了一定量的数据传输之后，最后四个包就是TCP的四次挥手，我们可以用下图来进行表示：

    • 我们挑选第二个数据包进行详细讲解。我们可以分析出，它是建立TCP连接的三次握手中的第二次握手，是由服务端返回给客户端的ACK包：
    13:50:43.883520 IP VM_0_3_centos.cslistener > VM_0_3_centos.33844: Flags [S.], seq 2973795481, ack 608546014, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 961901286 ecr 961901286,nop,wscale 7], length 0
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
    0x0010:  003c 0000 4000 4006 3cba 7f00 0001 7f00  .<..@.@.<.......
    0x0020:  0001 2328 8434 b140 8499 2445 acde a012  ..#(.4.@..$E....
    0x0030:  aaaa fe30 0000 0204 ffd7 0402 080a 3955  ...0..........9U
    0x0040:  72e6 3955 72e6 0103 0307                 r.9Ur.....
    • 每一组是4个16进制数字，所以每一组是16位，即两个字节。
    • 由于当前数据包是经过层层封装的最终的数据包，所以它包含帧头部、IP头部、TCP头部、以及应用程序数据（参考上图）下面我们逐个字节分析：

    帧头部

    • 0000 0000 0000：源MAC地址（源MAC地址是6个字节，由于都是本机所以为全0）
    • 0000 0000 0000：目的MAC地址（目的MAC地址是6个字节）
    • 0800：表示类型为IP数据报（类型字段为了区分是使用IP协议、ARP协议还是RARP协议类型的帧）

    IPv4协议头部

    • 4：版本号为IPv4
    • 5：IP协议头部长度为5 * 4（以4B为单位计算） = 20字节
    • 00：8位服务类型
    • 003c：总长度为60字节
    • 0000：16位标识（同一个IP数据报的所有分片的标识均相同）
    • 4000：3位标志 + 13位片偏移（0100 0000 0000 0000）（010代表禁止分片，片偏移为0）
    • 40：8位生存时间TTL（数据报到达目的地之前允许的路由器跳数，通常为64）
    • 06：8位协议（用来区分上层协议，6为TCP）
    • 3cba：16位头部校验和（接收端使用CRC算法检验IP数据报头部是否损坏）
    • 7f00 0001：32位源端IP地址（转化为十进制127.0.0.1）
    • 7f00 0001：32位目的端IP地址（转化为十进制127.0.0.1）

    TCP协议头部

    • 2328：16位源端口号（十进制值为9000，因为PHP-FPM的端口号为9000）
    • 8434：16位目的端口号（十进制值为33844，是建立初始TCP连接时产生的随机端口号）
    • b140 8499：32位序号（十进制值为2973795481，是服务端的初始序号）
    • 2445 acde：32位确认号（十进制值为608546014，代表客户端608546013及之前序号的报文段已全部收到）
    • a：TCP协议头部长度为10 * 4（以4B为单位计算） = 40字节
    • 012：6位保留 + URG|ACK|PSH|RST|SYN|FIN （012 = 000000 010010，即ACK = 1及SYN = 1，符合三次握手规律）
    • aaaa：16位窗口大小（十进制值为43690，告诉对方自己的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制数据的发送速度）
    • fe30：16位校验和（接收端使用CRC算法检验TCP数据报头部及数据部分是否损坏，是TCP可靠传输的保障）
    • 0000：16位紧急指针（用来让发送端给接收端发送紧急数据）
    • 0204 ffd7 0402 080a 3955 72e6 3955 72e6 0103 0307：20字节的TCP头部选项
    • 当三次握手之后，TCP连接正式建立。我们可以在下面几个包中看到具体的HTTP协议的请求行、请求主体、以及相应的返回状态码及响应主体等内容。
    • 我们总结一下，FastCGI协议其实就相当于基于TCP协议的HTTP协议。在LNMP架构中，nginx是一个web服务器，只支持HTTP协议数据的输入与输出；而PHP-FPM只支持FastCGI协议的输入与输出，这里nginx就可以看成是一个协议转换器的作用。它下层的TCP协议是面向字节流传输的，传给对方的只是一堆的字节数据，接收方无法解析其内容所代表的含义。那么我们开发HTTP协议、FastCGI协议等等也是同理。为了能够让PHP-FPM更加轻松容易地解析nginx转发过来的数据包，读懂基于TCP的这些字节流数据的含义，那么我们必须约定一种数据格式，让数据的传输、读取更加方便、高效、规范，这就是开发FastCGI协议的目的。这篇文章只是给大家一个复习以及铺垫，具体FastCGI协议所规定的格式与详细内容请听下回分解。
    nginxcphp
    NoSay
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