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网络编程开发及实战(下)

news 2025/12/16 13:59:47

一、IO模型

一、基本概念

（一）I/O基本概念

1、基本概念

1）一个完整I/O分为两个阶段：

用户进程空间->内核空间

内核空间->设备空间（磁盘、网卡）

2）内存I/O（无名管道）、网络I/O（UDP/TCP）、磁盘I/O（文件I/O）

2、同步和异步

1）不着急等待结果是异步aio_read

之前的程序read都是同步

2）同步经常用于线程内调用两个函数的调用

3）异步请求不知道的结果，后面可能通过别的机制来获得结果。

2、阻塞与非阻塞

3、阻塞状态不占有cpu，就绪态是等待cpu

4、线程阻塞的条件

1）自动sleep

2)i/o操作阻塞，等待返回

3）等待锁，获得锁

4）等待某个触发条件

5、阻塞套接字

服务端等待接收客户端，如果没有客户端，阻塞状态执行。

6、套接字：网络通信进程的一端

二、阻塞IO与非阻塞IO

1、五种IO

信号驱动式又名同步

2、全程阻塞，结束出来

套接字文件描述符默认是阻塞的。

recvfrom、read、accept、connect

3、非阻塞IO

一直返回，返回错误，知道有数据，返回成功

三、多路复用IO，信号驱动IO和异步IO

（一）多路复用模型

1、同时处理多个文件描述符

1）例：select可以同时监听多个文件描述符，都没有数据等待阻塞，有准备好的数据，recvfrom返回可读条件，多路复用的目的就是，哪个有数据，返回可读条件，系统调用

2）多路复用第一个阶段等待数据可阻塞可不阻塞，第二个阶段是以阻塞方式进行的。

3）阻塞肯定是同步的，异步不可能阻塞

2、信号驱动式IO

第一个阶段等待数据是异步的，只是注册了一个信号，没有发起读写，进程仍然可以执行其他。

第二个阶段是同步的

3、异步IO（了解）

第一阶段系统调用后直接返回，然后再内核中，准备数据，拷贝数据都是非阻塞的，拷贝完成重新发信号，此时没有IO操作了

四、五种IO模型的比较

二、IO多路复用select函数

一、IO多路复用select函数

1、IO多路复用模型

1）select:复用fd_set文件集合，可以把多个文件描述符集合，调用select函数，调用内核

2、select函数

1）nfds:文件描述符

2）readfds:可读

writefds:可写

exceptfds:错误流

本次定义关心什么

3）timeout:时间颗粒us

4）其他多路复用函数poll/epoll API

可读集合最常用，可写一般不阻塞，异常直接处理

5)timeout = 0非阻塞

NULL：永久阻塞

6）select不仅是多路复用，一般函数等待时间是ms，select函数等待颗粒度细，只设置最后一个参数，达到阻塞几us

3、fd_set结构体

1）一次申请8字节，64bit位，当nfds满了，再次申请8个字节，直到进程最大文件描述符（1024/2048字节）

2）在内核中，只观察置1，也就是3，4，6文件描述符有没有数据

二、多路复用select实现

三、select实现代码优化

三、多路复用poll函数

一、多路复用poll函数

1、多路复用

2、poll函数

第一个参数：复用的数组

第二个参数：顺序表的字段

第三个参数：ms

revents:系统返回

0：立刻返回，负数永久阻塞

二、poll的实现

四、套接字属性

一、选项级别

1、选项级别：套接字实现了tcp、ip还有一些链路和以太网的功能，不同选项级别对应不同的层次

2、获取选项

3、选项相当于属性，套接字选项也可以称为套接字属性

4、选项可以分为只可获取，不可设置，有些选项即可获取也可设置

5、选项级别

6、socket级别

监听有listen函数，所以只能获取不能监听

7、ip级别

8、获取套接字函数

二、getsockopt获取套接字选项

三、setsockopt设置套接字选项

五、广播和组播

一、广播及实现

1、ip地址分为网络号和主机号，主机号全为1的是广播地址

2、广播

1)广播只能用udp实现，tcp不行

2）255.255.255.255在所有网段中都代表广播地址

3、广播的实现

1）在udp服务端加上setsockopt即可

2）广播地址Bcast

3)代码/net/broadcast/

4)结果

5）抓包

因为是广播，可以用windows抓包

如果是windows中经过路由器转发，可以抓到两次包

二、组播及实现

1、部分主机可以收到

1）D类地址是多播ip，一个ip就是一个多播组，只需要将主机加入，可以是不同网络下的主机

2、多播IP地址

1）多播数据报目的地址要写入多播组的标识

2）一个D类地址标志一个多播组

3）多播地址只能用于目的地址，不能用于源地址

4）源地址向多播组发送数据，在该组播内的主机都可以收到数据

3、接收方

4、组播的实现

六、链路层原始套接字（扩展）

一、链路层原始套接字

1、以太网地址族

二、网络层原始套接字

1、创建

IPv4/原始套接字/抓取的是tcp的包

2、抓包代码

/net/raw

七、域名解析与http服务器实现原理

一、域名解析gethostbyname函数

1、域名解析的含义

ping一个网络，返回一个ip地址，原理就是域名解析函数

2、结构体

3、实现

#include <stdio.h>

#include <netdb.h>

#include <sys/socket.h>

#include <stdlib.h>

#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char *argv[])

{

int i;

if(argc < 2){

printf("%s <host name>\n", argv[0]);

exit(0);

}

struct hostent *host = gethostbyname(argv[1]);

for(i = 0; host->h_aliases[i] != NULL; i++){

printf("%s\n", host->h_aliases[i]);

}

printf("Address type:%s\n",

host->h_addrtype == AF_INET ? "AF_INET":"AF_INET6");

for(i = 0; host->h_addr_list[i] != NULL; i++){

printf("IP address %d:%s\n", i, inet_ntoa(*(struct in_addr *)host->h_addr_list[i]));

}

endhostent();

return 0;

}

二、万维网服务器的实现原理

1、万维网基于http协议

1)打开一个网页，客户端先发送，服务端再发给客户端的浏览器，解析成网页

2）HTTP基于tcp，buf换成http请求的内容，和响应的报文

2、HTTP本质上是一个字符串

因此用nc可以访问服务器，只不过客户端可以直接使用网站，nc命令需要获得ip地址和端口（makeru端口80），ping网站可以得到ip地址

3、html解释性语言

4、将万维网的语言复制

可以实现html版本的代码

html实际上传的是字符串，核心是标记语言的文本文件

5、理解万维网的实现思路

实现思路：

1、编写http.txt脚本

2、nc -l 0 80检测本地

3、浏览器访问本地

4、本地服务器接收到报文

5、回传http脚本语言

结果：

三、万维网服务器实现

1、万维网包头

2、html脚本

3、服务器

#include <stdio.h>

#include <sys/socket.h>

#include <sys/types.h>

#include <stdlib.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <unistd.h>

#include <errno.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/stat.h>

#include <strings.h>

#define PORT 80

#define BACKLOG 5

#define HTTPFILE "http-head.txt"

#define HTMLFILE "home.html"

int ClientHandle(int newfd);

int main(int argc, char *argv[])

{

int fd, newfd;

struct sockaddr_in addr;

/*创建套接字*/

fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

if(fd < 0){

perror("socket");

exit(0);

}

int opt = 1;

if(setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const void *) &opt, sizeof(opt) ))

perror("setsockopt");

addr.sin_family = AF_INET;

addr.sin_port = htons(PORT);

addr.sin_addr.s_addr = 0;

/*绑定通信结构体*/

if(bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr) ) == -1){

perror("bind");

exit(0);

}

/*设置套接字为监听模式*/

if(listen(fd, BACKLOG) == -1){

perror("listen");

exit(0);

}

/*接受客户端的连接请求，生成新的用于和客户端通信的套接字*/

newfd = accept(fd, NULL, NULL);

if(newfd < 0){

perror("accept");

exit(0);

}

ClientHandle(newfd);

close(fd);

return 0;

}

int ClientHandle(int newfd){

int file_fd = -1;

char buf[BUFSIZ] = {};

int ret;

do {

ret = recv(newfd, buf, BUFSIZ, 0);

}while(ret < 0 && errno == EINTR);

if(ret < 0){

perror("recv");

exit(0);

}else if(ret == 0){

close(newfd);

return 0;

}else{

printf("=====================================\n");

printf("%s", buf);

fflush(stdout);

}

bzero(buf, ret);

file_fd = open(HTTPFILE, O_RDONLY);

if(file_fd < 0){

perror("open");

exit(0);

}

ret = read(file_fd, buf, BUFSIZ);

printf("%s\n", buf);

send(newfd, buf, ret, 0);

close(file_fd);

bzero(buf, ret);

file_fd = open(HTMLFILE, O_RDONLY);

if(file_fd < 0){

perror("open");

exit(0);

}

ret = read(file_fd, buf, BUFSIZ);

printf("%s\n", buf);

send(newfd, buf, ret, 0);

close(file_fd);

close(newfd);

return 0;

}