【PHP7源碼學習】2019-04-09 FastCGI協議1

時間 2019-11-10

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計算機網絡架構的分層與封裝

咱們常常談到，計算機網絡有多種體系架構，如OSI七層模型、TCP/IP四層模型等等。那麼，爲何要將計算機網絡分紅這麼多層呢？並且，每一層都要加上其特有的頭部（如TCP頭部、IP頭部等等）進行封裝，這樣設計的緣由又何在？
首先咱們看一個咱們常常看到的C/S架構數據流動過程圖：

咱們以TCP/IP四層網絡體系架構爲例，總結一下各層服務的做用：

應用層：用戶直接可以操做的層，處理應用程序的邏輯，在用戶空間實現

傳輸層：爲兩臺計算機上的應用程序提供端到端的通訊，實現了數據通過網絡層到達計算機後可以分發到各個端口（分用），在內核空間實現

網絡層：提供精確到兩端計算機互聯網IP地址的通訊，實現了數據包在互聯網上的選路與轉發，在內核空間實現

數據鏈路層：提供基於物理媒介（如網卡）的數據傳輸服務，在內核空間實現

首先談談爲何要分層。在咱們實際的項目開發過程當中，咱們經常提到的模塊化、服務化，其實和計算機網絡爲何要分層的原理相似。咱們能夠將每一層都當作一個模塊、一個服務，其內部的實現細節對於上一層或者下一層都是隱藏的，可能只對外暴露一些API而已。若是上層要使用下層提供的服務，根本不須要關注下一層內部的實現細節，只需使用下層提供的API便可。這樣一來，方便了開發與維護，進而提升了計算機網絡總體的運做效率。
咱們再談爲何要封裝。剛纔咱們談到了每一個模塊都是獨立的。上層爲了使用下層提供的服務，必須封裝。舉個例子，應用層想使用傳輸層提供的端到端的數據傳輸服務，那麼傳輸層就會將應用層下發的數據先存起來。爲了實現端到端的數據傳輸，傳輸層模塊內部須要標識雙方的端口號。因此，它就會將端口號還有一些額外的信息（被稱做(TCP/UDP)首部），和應用層下發的數據部分進行封裝，一塊兒傳給下一層（即網絡層）。這樣，經過封裝每一層特有的頭部，實現了每一層獨特的功能，最終實現了精確到端口號的端到端數據傳輸服務。

爲何須要FastCGI協議

在LNMP架構中，客戶端瀏覽器與nginx代理是經過HTTP協議進行通訊的。在請求到達nginx以後，數據最終會被轉發給上游的PHP-FPM。它們之間的通訊，屬於同一機器上、不一樣端口號之間的通訊。FastCGI協議同HTTP協議同樣，是基於TCP協議的，處於TCP協議的上層。而 TCP協議傳輸的僅僅是無心義的字節流數據，接收方並不能正確讀取數據的含義。因此，它們也須要一個相似於HTTP的協議的、一種格式或語法上的規範與約定。這樣一來，通訊雙方纔可以更好地理解、解析並正確讀取對方傳輸的信息以及數據，理解數據發送方所表達的含義，這就是FastCGI協議開發的目的所在。

抓包

接下來咱們會以nginx與PHP-FPM以前通訊的數據包爲例，利用tcpdump抓取兩者通訊的數據包。因此咱們首先須要瞭解一下各層數據報頭部的格式，可是具體每一個字段的做用，咱們會在接下來詳細講解，先讓咱們熟悉一下：

數據鏈路層（以太網幀爲例）

網絡層（IPv4協議爲例）

傳輸層（TCP協議爲例）

各層之間數據包的聯繫

數據鏈路層是對網絡層數據及頭部的封裝；
網路層是對傳輸層數據及頭部的封裝；
傳輸層是對應用層數據及頭部的封裝：

因爲FastCGI協議基於TCP協議，那麼它必定會進行三次握手與四次揮手，中間的數據包是雙方的數據交換，所有的數據包以下：

[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.
    0x0010:  003c de3b 4000 4006 5e7e 7f00 0001 7f00  .<.;@.@.^~......
    0x0020:  0001 8434 2328 2445 acdd 0000 0000 a002  ...4#($E........
    0x0030:  aaaa fe30 0000 0204 ffd7 0402 080a 3955  ...0..........9U
    0x0040:  72e6 0000 0000 0103 0307                 r.........
13:50:43.883520 IP VM_0_3_centos.cslistener > VM_0_3_centos.33844: Flags [S.], seq 2973795481, ack 608546014, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 961901286 ecr 961901286,nop,wscale 7], length 0
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
    0x0010:  003c 0000 4000 4006 3cba 7f00 0001 7f00  .<..@.@.<.......
    0x0020:  0001 2328 8434 b140 8499 2445 acde a012  ..#(.4.@..$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
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
    0x0010:  0034 de3c 4000 4006 5e85 7f00 0001 7f00  .4.<@.@.^.......
    0x0020:  0001 8434 2328 2445 acde b140 849a 8010  ...4#($E...@....
    0x0030:  0156 fe28 0000 0101 080a 3955 72e6 3955  .V.(......9Ur.9U
    0x0040:  72e6                                     r.
13:50:43.883594 IP VM_0_3_centos.33844 > VM_0_3_centos.cslistener: Flags [P.], seq 608546014:608546982, ack 2973795482, win 342, options [nop,nop,TS val 961901286 ecr 961901286], length 968
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
    0x0010:  03fc de3d 4000 4006 5abc 7f00 0001 7f00  ...=@.@.Z.......
    0x0020:  0001 8434 2328 2445 acde b140 849a 8018  ...4#($E...@....
    0x0030:  0156 01f1 0000 0101 080a 3955 72e6 3955  .V........9Ur.9U
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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
    0x01c0:  332e 3232 372e 3234 392e 3132 370b 0552  3.227.249.127..R
    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
    0x0210:  4d45 6772 6170 652e 7961 662e 636f 6d0f  MEgrape.yaf.com.
    0x0220:  0352 4544 4952 4543 545f 5354 4154 5553  .REDIRECT_STATUS
    0x0230:  3230 3009 0f48 5454 505f 484f 5354 3132  200..HTTP_HOST12
    0x0240:  322e 3135 322e 3232 392e 3232 310f 0a48  2.152.229.221..H
    0x0250:  5454 505f 434f 4e4e 4543 5449 4f4e 6b65  TTP_CONNECTIONke
    0x0260:  6570 2d61 6c69 7665 1209 4854 5450 5f43  ep-alive..HTTP_C
    0x0270:  4143 4845 5f43 4f4e 5452 4f4c 6d61 782d  ACHE_CONTROLmax-
    0x0280:  6167 653d 301e 0148 5454 505f 5550 4752  age=0..HTTP_UPGR
    0x0290:  4144 455f 494e 5345 4355 5245 5f52 4551  ADE_INSECURE_REQ
    0x02a0:  5545 5354 5331 0f79 4854 5450 5f55 5345  UESTS1.yHTTP_USE
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    0x03e0:  4550 545f 4c41 4e47 5541 4745 7a68 2d43  EPT_LANGUAGEzh-C
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    0x0020:  0001 2328 8434 b140 849a 2445 b0a6 8010  ..#(.4.@..$E....
    0x0030:  0165 fe28 0000 0101 080a 3955 72e6 3955  .e.(......9Ur.9U
    0x0040:  72e6                                     r.
13:50:43.885366 IP VM_0_3_centos.cslistener > VM_0_3_centos.33844: Flags [P.], seq 2973795482:2973795650, ack 608546982, win 357, options [nop,nop,TS val 961901288 ecr 961901286], length 168
    0x0000:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500  ..............E.
    0x0010:  00dc f67d 4000 4006 459c 7f00 0001 7f00  ...}@.@.E.......
    0x0020:  0001 2328 8434 b140 849a 2445 b0a6 8018  ..#(.4.@..$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
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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
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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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咱們能夠看到，前三個包就是TCP的三次握手，通過了必定量的數據傳輸以後，最後四個包就是TCP的四次揮手，咱們能夠用下圖來進行表示：

咱們挑選第二個數據包進行詳細講解。咱們能夠分析出，它是創建TCP鏈接的三次握手中的第二次握手，是由服務端返回給客戶端的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.....

每一組是4個16進制數字，因此每一組是16位，即兩個字節。
因爲當前數據包是通過層層封裝的最終的數據包，因此它包含幀頭部、IP頭部、TCP頭部、以及應用程序數據（參考上圖）下面咱們逐個字節分析：

幀頭部

0000 0000 0000：源MAC地址（源MAC地址是6個字節，因爲都是本機因此爲全0）
0000 0000 0000：目的MAC地址（目的MAC地址是6個字節）
0800：表示類型爲IP數據報（類型字段爲了區分是使用IP協議、ARP協議仍是RARP協議類型的幀）

IPv4協議頭部

4：版本號爲IPv4
5：IP協議頭部長度爲5 * 4（以4B爲單位計算） = 20字節
00：8位服務類型
003c：總長度爲60字節
0000：16位標識（同一個IP數據報的全部分片的標識均相同）
4000：3位標誌 + 13位片偏移（0100 0000 0000 0000）（010表明禁止分片，片偏移爲0）
40：8位生存時間TTL（數據報到達目的地以前容許的路由器跳數，一般爲64）
06：8位協議（用來區分上層協議，6爲TCP）
3cba：16位頭部校驗和（接收端使用CRC算法檢驗IP數據報頭部是否損壞）
7f00 0001：32位源端IP地址（轉化爲十進制127.0.0.1）
7f00 0001：32位目的端IP地址（轉化爲十進制127.0.0.1）

TCP協議頭部

2328：16位源端口號（十進制值爲9000，由於PHP-FPM的端口號爲9000）
8434：16位目的端口號（十進制值爲33844，是創建初始TCP鏈接時產生的隨機端口號）
b140 8499：32位序號（十進制值爲2973795481，是服務端的初始序號）
2445 acde：32位確認號（十進制值爲608546014，表明客戶端608546013及以前序號的報文段已所有收到）
a：TCP協議頭部長度爲10 * 4（以4B爲單位計算） = 40字節
012：6位保留 + URG|ACK|PSH|RST|SYN|FIN （012 = 000000 010010，即ACK = 1及SYN = 1，符合三次握手規律）
aaaa：16位窗口大小（十進制值爲43690，告訴對方本身的TCP接收緩衝區還能容納多少字節的數據，這樣對方就能夠控制數據的發送速度）
fe30：16位校驗和（接收端使用CRC算法檢驗TCP數據報頭部及數據部分是否損壞，是TCP可靠傳輸的保障）
0000：16位緊急指針（用來讓發送端給接收端發送緊急數據）
0204 ffd7 0402 080a 3955 72e6 3955 72e6 0103 0307：20字節的TCP頭部選項

當三次握手以後，TCP鏈接正式創建。咱們能夠在下面幾個包中看到具體的HTTP協議的請求行、請求主體、以及相應的返回狀態碼及響應主體等內容。
咱們總結一下，FastCGI協議其實就至關於基於TCP協議的HTTP協議。在LNMP架構中，nginx是一個web服務器，只支持HTTP協議數據的輸入與輸出；而PHP-FPM只支持FastCGI協議的輸入與輸出，這裏nginx就能夠當作是一個協議轉換器的做用。它下層的TCP協議是面向字節流傳輸的，傳給對方的只是一堆的字節數據，接收方沒法解析其內容所表明的含義。那麼咱們開發HTTP協議、FastCGI協議等等也是同理。爲了可以讓PHP-FPM更加輕鬆容易地解析nginx轉發過來的數據包，讀懂基於TCP的這些字節流數據的含義，那麼咱們必須約定一種數據格式，讓數據的傳輸、讀取更加方便、高效、規範，這就是開發FastCGI協議的目的。這篇文章只是給你們一個複習以及鋪墊，具體FastCGI協議所規定的格式與詳細內容請聽下回分解。