Google quiche客户端socket读写模型

1、前言

  • 本文通过学习google quic默认客户端的网络IO事件读取实现,来学习在google quic中数据的发送和接收的处理/分发机制
  • 同时通过本节学习默认IO读写实现和其他模块的关系,为后续深入分析google quic源码做铺垫

2、QuicClientDefaultNetworkHelper定义

  • 在google quic中,默认实现QuicClientDefaultNetworkHelper模块用于往socket中写入数据,以及从socket中读取数据

  • 其中QuicClientDefaultNetworkHelper的派生关系如下:

    quic_client_socket_read_write_01.png

  • QuicClientDefaultNetworkHelper模块分别由QuicClientBase::NetWorkHelper、QuicSocketEventListener、ProcessPacketInterface接口派生,其中1)QuicClientBase::NetWorkHelper用于创建socket,往QuicEventLoop注册和注销IO读写事件;2)QuicSocketEventListener用于接收处理socket IO事件如可读和可写事件的处理;3)ProcessPacketInterface接口提供ProcessPacket()函数完成对QuicReceivedPacket报文传递到QuicClientDefaultNetworkHelper模块

  • 同时QuicClientDefaultNetworkHelper由三大成员变量QuicEventLoop、QuicPacketReader、QuicClientBase组成,1)成员event_loop_指针由其他模块传入用于关联socket io框架监听socket 读写事件;2)packet_reader成员用于读取Udp报文,并将udp包转成QuicReceivedPacket包,并最终通过ProcessPacketInterface接口将QuicReceivedPacket报文回调到QuicClientDefaultNetworkHelper模块,然后再将该报文交给成员client_进行处理

3、QuicClientBase::NetworkHelper接口的定义及实现

class QuicClientBase : public QuicSession::Visitor {
 public:
  // An interface to various network events that the QuicClient will need to
  // interact with.
  class NetworkHelper {
   public:
    virtual ~NetworkHelper();

    // Runs one iteration of the event loop.
    // 用于socket io 循环loop
    virtual void RunEventLoop() = 0;

    // Used during initialization: creates the UDP socket FD, sets socket
    // options, and binds the socket to our address.
    // 创建一个udp socket,并将socket fd 向事件循环注册,通过IO监听该socket
    virtual bool CreateUDPSocketAndBind(QuicSocketAddress server_address,
                                        QuicIpAddress bind_to_address,
                                        int bind_to_port) = 0;

    // Unregister and close all open UDP sockets.
    // 关闭一个socket,并将socket从io 事件循环中注销
    virtual void CleanUpAllUDPSockets() = 0;

    // If the client has at least one UDP socket, return address of the latest
    // created one. Otherwise, return an empty socket address.
    virtual QuicSocketAddress GetLatestClientAddress() const = 0;

    // Creates a packet writer to be used for the next connection.
    // 创建一个socket writer,用于往socket写入数据
    virtual QuicPacketWriter* CreateQuicPacketWriter() = 0;
  };
  ....
}
  • RunEventLoop函数的视线如下
void QuicClientDefaultNetworkHelper::RunEventLoop() {
  quiche::QuicheRunSystemEventLoopIteration();
  event_loop_->RunEventLoopOnce(QuicTime::Delta::FromMilliseconds(50));
}
  • 该函数实现较为简单,就是直接调用```QuicEventLoop::RunEventLoopOnce()``,对IO时间循环就行迭代,并且在50ms后假设无其他时间触发,将退出IO迭代
bool QuicClientDefaultNetworkHelper::CreateUDPSocketAndBind(
    QuicSocketAddress server_address, QuicIpAddress bind_to_address,
    int bind_to_port) {
  SocketFd fd = CreateUDPSocket(server_address, &overflow_supported_);
  if (fd == kInvalidSocketFd) {
    return false;
  }
  auto closer = absl::MakeCleanup([fd] { (void)socket_api::Close(fd); });

  ......

  if (event_loop_->RegisterSocket(
          fd, kSocketEventReadable | kSocketEventWritable, this)) {
    fd_address_map_[fd] = client_address;
    std::move(closer).Cancel();
    return true;
  }
  return false;
}
  • CreateUDPSocketAndBind函数的核心作用是根据一个server_address创建一个udp端口,并将该fd往时间循环中注册读写事件
  • QuicClientBase::Initialize()函数中有使用该函数创建socket句柄
void QuicClientDefaultNetworkHelper::CleanUpAllUDPSockets() {
  for (std::pair<int, QuicSocketAddress> fd_address : fd_address_map_) {
    CleanUpUDPSocketImpl(fd_address.first);
  }
  fd_address_map_.clear();
}

void QuicClientDefaultNetworkHelper::CleanUpUDPSocketImpl(SocketFd fd) {
  if (fd != kInvalidSocketFd) {
    bool success = event_loop_->UnregisterSocket(fd);
    QUICHE_DCHECK(success || fds_unregistered_externally_);
    absl::Status rc = socket_api::Close(fd);
    QUICHE_DCHECK(rc.ok()) << rc;
  }
}
  • 以上为关闭socket fd的实现,同时注销事件循环
QuicPacketWriter* QuicClientDefaultNetworkHelper::CreateQuicPacketWriter() {
  if (event_loop_->SupportsEdgeTriggered()) {
    return new QuicDefaultPacketWriter(GetLatestFD());
  } else {
    return new LevelTriggeredPacketWriter(GetLatestFD(), event_loop_);
  }
}
  • 创建QuicPacketWriter指针,用于往socket fd中写入数据

4、QuicSocketEventListener接口的定义及实现


class QUICHE_NO_EXPORT QuicSocketEventListener {
 public:
  virtual ~QuicSocketEventListener() = default;

  virtual void OnSocketEvent(QuicEventLoop* event_loop, SocketFd fd,
                             QuicSocketEventMask events) = 0;
};
  • 在上节中有提到通过CreateUDPSocketAndBind()函数创建socket fd,并将fd向QuicEventLoop注册读写事件,当IO检测到该fd有可读或者可写事件的时候,就会触发对应的回调,而该回调就是OnSocketEvent(...)函数

  • 对应的实现如下:

void QuicClientDefaultNetworkHelper::OnSocketEvent(
    QuicEventLoop* /*event_loop*/, QuicUdpSocketFd fd,
    QuicSocketEventMask events) {
  if (events & kSocketEventReadable) {
    QUIC_DVLOG(1) << "Read packets on kSocketEventReadable";
    int times_to_read = max_reads_per_event_loop_;
    bool more_to_read = true;
    QuicPacketCount packets_dropped = 0;
    while (client_->connected() && more_to_read && times_to_read > 0) {
      // 读取udp包,并将包转换成QuicReceivedPacket包,然后通过ProcessPacketInterface::ProcessPacket
      // 对报文进行处理
      more_to_read = packet_reader_->ReadAndDispatchPackets(
          fd, GetLatestClientAddress().port(), *client_->helper()->GetClock(),
          this, overflow_supported_ ? &packets_dropped : nullptr);
      --times_to_read;
    }
    ....
  }
  if (client_->connected() && (events & kSocketEventWritable)) {
    client_->writer()->SetWritable();
    client_->session()->connection()->OnCanWrite();
  }
}
  • OnSocketEvent函数为IO事件监听函数,当socket可读的时候,通过QuicPacketReader模块读取Udp包,并将包转换成QuicReceivedPacket同时将QuicReceivedPacket通过ProcessPacketInterface::ProcessPacket()由传递到QuicClientDefaultNetworkHelper模块
  • 当socket有可写事件触发的时候,通过成员client_QuicPacketWriter置成可写,同时也对对应的QuicConnection模块调用**OnCanWrite()处理,后面进行详细分析

5、ProcessPacketInterface接口的定义及实现

// A class to process each incoming packet.
class QUIC_NO_EXPORT ProcessPacketInterface {
 public:
  virtual ~ProcessPacketInterface() {}
  virtual void ProcessPacket(const QuicSocketAddress& self_address,
                             const QuicSocketAddress& peer_address,
                             const QuicReceivedPacket& packet) = 0;
};
void QuicClientDefaultNetworkHelper::ProcessPacket(
    const QuicSocketAddress& self_address,
    const QuicSocketAddress& peer_address, const QuicReceivedPacket& packet) {
  client_->session()->ProcessUdpPacket(self_address, peer_address, packet);
}
  • QuicClientDefaultNetworkHelper::ProcessPacket()函数的视线可以看出,最终对QuicReceivedPacket报文的处理是在QuicSession中进行处理的
  • QuicSession最终包报文解析工作交给QuicConnection模块
void QuicSession::ProcessUdpPacket(const QuicSocketAddress& self_address,
                                   const QuicSocketAddress& peer_address,
                                   const QuicReceivedPacket& packet) {
  QuicConnectionContextSwitcher cs(connection_->context());
  connection_->ProcessUdpPacket(self_address, peer_address, packet);
}
  • 在google quic应用中无论是服务端还是客户端端,都是以QuicSession为一次会话单位,而每个QuicSession一定会有一个QuicConnection成员,可以称作为连接
  • 此处无论是服务端还是客户端对QuicReceivedPacket的解析工作最终都是在*QuicConnection模块中完成

总结

  • 通过本文学习google quiche开源项目中客户端socket发送数据和接收数据的基本模型
  • 在上文的分析中最终引出了QuicSession、QuicConnection、以及QuicPacketWriter模块,这些模块是google quic中的核心模块
  • 通过本文的学习对后续深入研究google quic做一个简单铺垫工作
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