监听端口到底是什么意思？

这个故事探讨了计算机网络中的一些概念，灵感来自Michael Nielsen的discovery fiction的想法。代码示例也可以在这个repo中找到。截取的片段是在Debian Linux上使用OpenBSD风格的netcat；行为和IPv6的支持可能因版本而异。

在学生会大楼的角落里，有一家咖啡店，在咖啡店的角落里有两个学生。利兹敲打着她哥哥在她搬到大学时给她的那台破旧的手摇MacBook的键盘。在她左边的长椅上，蒂姆在一个装订成卷的笔记本上写着公式。他们之间有一杯半空的常温咖啡，莉兹不时地喝上一口以保持清醒。

在房间的对面，咖啡师把目光从他的手机上移开，抬起头来，扫视着店内的情况。他一个耳朵戴着耳机，另一个悬空，而他的手机正在播放他的电影课的指定观看内容。在这家学生经营的店里，有一条不成文的规定，上夜班的员工可以利用顾客之间的漫长空隙来补习功课。除了蒂姆和丽兹，还有两名男学生独自坐在那里，紧盯着他们的笔记本电脑，他们已经这样做了几个小时。除此之外，店内空无一人。

蒂姆写到一半就停笔了，把这张纸从笔记本上撕下来，揉成一团，放在其他揉成一团的小纸片旁边。

“Shit，现在几点了？”他问到。

利兹看了看她笔记本上的时钟，“刚过两点”

蒂姆打了个哈欠，又开始在新的一页上面涂鸦，但利兹打断了他。

“蒂姆”

“什么？！”，蒂姆回答说，夸张地表达了他对刚开始写就被打断的恼怒。

“在一个端口上监听是什么意思？”

“呃嗯……”

“我必须为net写这个网络服务器的东西”，net是Computer Networks 201的缩写，这是蒂姆在上学期上的一门课。

“是的，我记得那门课”

“所以我在一个端口上监听连接”

“80端口”，蒂姆自信地回答，希望通过抢先回答她的问题来缩短谈话时间。

“实际上，我们应该监听8080，这样它就可以在没有root的情况下运行，但这不是重点。”

“哦，对了。那是什么？”

“好吧，监听一个端口是什么意思？”

“它意味着其他进程可以在该端口上连接到它。”蒂姆对这个问题显得很困惑。

“是的，我知道这一点，但怎么做？”

蒂姆考虑了几秒钟才回答。

“我猜操作系统有一个大的端口表，以及在这些端口上监听的进程。当你绑定到一个端口时，它就会在该表中放一个指向你的套接字的指针。”

“是的，我猜。”利兹说，语气中带着犹豫和不满意。

两人回到了他们各自的工作中。沉默了一段时间后，蒂姆小声嘀咕了一句胜利的 “是的！”，并在一张打印的纸上划掉了一个数字。他终于找到了他在微积分作业中一直纠结的一个证明。

利兹趁机再次引起他的注意。

“嘿，蒂姆，看，我正在同时运行绑定在同一端口的两个进程。”

她调整了两个包含Python代码的窗口的大小。

# server1.py

import socket

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

sock.bind(('127.0.0.1', 8080))

sock.listen()

print(sock.accept())

然后在它旁边是另一个程序：

# server2.py

import socket

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

sock.bind(('127.0.0.1', 8080))

print(sock.recv(1024))

然后她向他展示了这两个程序在各自的终端窗口中运行，通过Shell连接到大学的cslab3Debian服务器。

蒂姆将笔记本电脑转向自己。他打开第三个终端，停顿了一会儿，搜索他疲惫的大脑，然后输入netcat 127.0.0.1 8080。

netcat 运行后立即退出。在另一个终端窗口中，正在运行的 python server1.py 程序退出，打印。

(<socket.socket fd=4, family=AddressFamily.AF_INET,

type=SocketKind.SOCK_STREAM, proto=0, laddr=('127.0.0.1', 8080),

raddr=('127.0.0.1', 59558)>, ('127.0.0.1', 59558))

他边研究server1.py代码，边自言自语。

“好的，服务器绑定了一个端口，接受了第一个连接它的套接字，然后退出。我明白了，所以它打印的元组是accept调用的结果，然后它立即退出。但是现在......”，将鼠标光标移到显示 server2.py 的编辑器上，“……这一个甚至在听吗？”

他在与之前相同的终端中再次运行netcat 127.0.0.1 8080 -v，结果打印出来如下：

netcat: connect to 127.0.0.1 port 8080 (tcp) failed: Connection refused

“看”，他说，“你的代码中存在一个错误。 server2仍在运行，但你从未调用listen。它实际上没有对8080端口做任何事情。”

“当然是，看”，利兹说，抢回了她的笔记本电脑。

她在“netcat”命令的末尾加了一个-u，然后点击回车。这一次，它没有给出一个错误或立即退出，而是等待键盘输入。她对Tim这么快就认为她的代码有问题感到恼火，她敲出了timmy，知道这个绰号让他很不爽。

netcat会话无声无息地结束了，同时，python server2.py程序退出打印。

b'timmy\n'

蒂姆意识到利兹试图与他作对，但没有理会，不想让她满足于对他的挑衅。他向键盘做了个手势。利兹把笔记本扭向他的方向，他输入man netcat'，调出netcat的手册，其中描述该工具为“TCP/IP瑞士军刀”。他向下滚动到-u标志，文件将其简单描述为 “UDP模式”。

“啊”，他说，因为他突然想起了什么。“我明白了，server1是通过TCP监听，server2是通过UDP监听。这一定是SOCK_DGRAM的意思。所以它们是不同的协议。我猜操作系统为每个端口都有一个单独的表格。我没想到net涵盖了UDP，直到后来。”

“是的，我提前读了。”

“当然。你怎么会有时间提前阅读，却没有时间在早晨到期前完成这些作业呢？”

“我也可以问你关于Counter Strike的问题”，莉兹反问道。

蒂姆哼了一声。

他们又继续默默地工作了几分钟，然后莉兹打破了沉默。

“嘿，蒂姆，看看这个。我可以在同一个端口上监听两个进程，即使它们都是TCP。”

蒂姆从他的工作中抬起头来。这次利兹在屏幕上只有一个Python程序，而且是在两个终端中运行：

# server3.py

import socket

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEPORT, 1)

sock.bind(('127.0.0.1', 8080))

sock.listen()

print(sock.accept())

利兹解释说：“看，这个命令显示什么进程正在监听一个端口”。她输入了lsof -i:8080，然后点击回车。

程序打印：

> lsof -i:8080

COMMAND    PID USER   FD   TYPE   DEVICE SIZE/OFF NODE NAME

python3 174265 liz     3u  IPv4 23850797      0t0  TCP localhost:http-alt (LISTEN)

python3 174337 liz     3u  IPv4 23853188      0t0  TCP localhost:http-alt (LISTEN)

“当你连接到它时会发生什么？”，蒂姆问道，这次他的声音中带着一点真正的好奇心。

“看吧。”

利兹运行了一次netcat localhost 8080，其中一个服务器进程退出，而另一个则继续运行。然后她再次运行，另一个进程退出。

蒂姆的注意力转到了代码上，他把手指放在屏幕附近，读了一遍。莉斯讨厌被弄脏的屏幕，她说：“别紧张！”并把他的手推了回去。“我不会碰它”，他抗议道。他做了一个夸张的表演，让自己的手保持一个安全的距离，他指着setsockopt一行，问道：“嘿，这是什么巫术？”

“那是设置一个套接字选项，允许端口被重复使用。”

“哼，这在教科书上有吗？”

“不知道，我在Stack Overflow上找到的。”

“我不知道你可以这样重复使用一个端口。”

“我也不知道 "她停顿了一下，考虑了一下。"所以操作系统不能只是有一个端口到套接字的表格，它必须是一个端口到套接字的列表的表格。然后为UDP建立第二个表格。也许还有其他协议的。”

“是的，这听起来很对”，蒂姆同意。

“嗯”，利兹说，突然听起来不太确定。

“什么？”

“呃，没关系”，她说，她开始认真地敲打。

蒂姆回到他的任务上，几分钟后，他又划掉了一个问题。他快要完成了，他的神情也放松了一些。利兹将她的笔记本电脑向他倾斜，说“看看这个”。她给他看了两个程序：

# server4.py

import socket

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

sock.bind(('127.0.0.2', 8080))

sock.listen()

print(sock.accept())

在它的旁边，

# server5.py

import socket

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

sock.bind(('127.0.0.3', 8080))

sock.listen()

print(sock.accept())

“这些不是一样的吗？”蒂姆问道，一边研究它们。

“看一下绑定的IP。”

“哦，所以你是在同一个端口上监听，但有两个不同的IP。这能行吗？”

“似乎是的。而且我可以连接到他们两个。”

利兹运行netcat 127.0.0.2，然后netcat 127.0.0.3，给他看。

蒂姆思考了一下。“所以让我看看。操作系统必须有一个表，从每个端口和IP组合，到一个套接字。实际上，有两个：一个用于TCP，另一个用于UDP。”

“是的”，利兹点点头。“而不是只有一个套接字，可以是多个。但要注意这个。”她把服务器代码中的IP改为 0.0.0.0。

# server6.py

import socket

sock socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

sock.bind(('0.0.0.0', 8080))

sock.listen()

print(sock.accept())

“现在，当我运行绑定到127.0.0.2的服务器时，我得到了这个”，她继续说，

Traceback (most recent call last):

File "server5.py", line 4, in <module>

s.bind(('127.0.0.2', 8080))

OSError: [Errno 99] Cannot assign requested address

“但是”，她总结道，“如果我运行netcat 127.0.0.2 8080，就会连接到0.0.0.0上的服务器”，并给他看。

“对，0.0.0.0意味着'绑定所有本地IP'，讲课时没有讲到吗？而以127.开头的地址是本地回环IP，所以它们被它绑定是有道理的。”

“是的，但它是如何工作的？大约有1600万个IP是以127.开头的。它不会用所有的人做一个大表，对吗？”

“我猜不是。”他没有答案，于是改变了话题。“那么无论如何，HTTP服务器的情况如何？”这是个反问句，他知道她没有写过一行实际的任务代码。

“是的，是的”，她回答说，已经潜心于另一个实验。

又过了一段时间。蒂姆刚刚完成他的任务，闲来无事地查看他手机上的时间。他考虑回家去睡他那凹凸不平的宿舍床垫。他评估了一下，觉得长椅也差不多舒服，于是把头向后仰，靠在高高的垫子椅背上。

他正盯着天花板，半梦半醒间，莉兹捅了捅他，说：“蒂姆，看看这个”。

她给他看了另一个程序。

# server7.py

import socket

sock = socket.socket(socket.AF_INET6, socket.SOCK_STREAM)

sock.bind(('::', 8080))

sock.listen()

print(sock.accept())

“看看这个。这是一个IPv6服务器。”

蒂姆打了个哈欠，靠了过来。此时，早晨的阳光已经开始透过他们所坐的长椅后面的窗户出现。另外两个学生在凌晨时分已经悄悄地离开了，店里今天的第一位顾客已经到了，正在等待她的外带咖啡。

“冒号是什么来着？”蒂姆问道。

“这是IPv6中八个零的简称，与IPv4中的 0.0.0.0 含义相同”。

“所以这是说要监听所有本地的IPv6 IP？IPv6是这样工作的吗？”

“是的，基本上是这样。”

她输入netcat "::1" 8080 -v，解释说：“::1是IPv6的回环地址。它就像'家'。”

“所以就像常规IP中的127.0.0.1”

“IPv4。是的，没错。但要注意这个。根据lsof，我只在IPv6上收听，看到了吗？”利兹运行lsof -i :8080，打印出一行。

COMMAND    PID USER   FD   TYPE   DEVICE SIZE/OFF NODE NAME

python3 455017 liz     3u  IPv6 25152485      0t0  TCP *:http-alt (LISTEN)

“但是"，利兹继续说，“我可以通过一个IPv4的IP连接到它。”

netcat 127.0.0.1 8080 -v

“哼”，蒂姆喃喃道。“那另一种方式呢？你能从一个IPv6 IP连接到一个IPv4服务器吗？”

“不，看这个。”

她运行了python3 server6.py，然后netcat "::1" 8080 -v，打印出了

netcat: connect to ::1 port 8080 (tcp) failed: Connection refused

蒂姆问：“如果你试图在IPv6上开始监听8080，而那个IPv4服务器仍在运行，会发生什么？”

利兹给他看，运行python server7.py。

Traceback (most recent call last):

File "server7.py", line 4, in <module>

s.bind(('::', 8080))

OSError: [Errno 98] Address already in use

“但看看这个”，她说，拉出了另一个代码列表。

# server8.py

import socket

sock = socket.socket(socket.AF_INET6, socket.SOCK_STREAM)

sock.setsockopt(socket.IPPROTO_IPV6, socket.IPV6_V6ONLY, 1)

sock.bind(('::', 8080))

sock.listen()

print(sock.accept())

她指着setsockopt一行，解释说：“当我添加这个时，我可以从不同的进程监听同一端口上的IPv6和IPv4。”

她运行python server8.py，然后lsof -i :8080。

COMMAND    PID USER   FD   TYPE   DEVICE SIZE/OFF NODE NAME

python3 460409 liz     3u  IPv6 25188010      0t0  TCP *:http-alt (LISTEN)

python3 460813 liz     3u  IPv4 25191765      0t0  TCP *:http-alt (LISTEN)

蒂姆清点了利兹给他看的东西。“所以当你在一个端口上监听时，你实际上是在监听一个端口、一个IP、一个协议、和一个IP版本的组合？”

“是的，除非你在所有的本地IP上监听。如果你在所有IPv6 IP上监听，你也会在所有IPv4 IP上监听，除非你在调用绑定之前特别要求不要这样做。”

“对。因此，操作系统必须有一个从端口和IP对到套接字的哈希图，用于TCP或UDP、IPv4或IPv6的每个组合。”

“到一个套接字的列表”，利兹纠正说。“还记得我是如何监听不止一个的吗？”

“哦，是的。”

“但它还必须处理对所有'家庭'IP的监听，并且能够从一个IPv4 IP上找到一个监听IPv6的套接字。”

“不管怎么说，我得把这个交上去”，蒂姆说着，指了指他手中松散的文件集。"你打算在交稿前完成那个HTTP服务器吗？”

利兹耸耸肩：“我有一个空闲的晚间时间可以利用。”

蒂姆摇了摇头，像极了老父亲般的不赞成。

丽兹翻了个白眼，说：“走吧，蒂姆。”

“下周同一时间？”

“是的。”

原文链接：What does it mean to listen on a port?（翻译：小灰灰）

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