[系统运维]Linux 网络开发必学课程（二）深入浅出IP地址、尝鲜 select 多路复用、基于多路复用的服务端

3、深入浅出IP地址

① 问题：网络编程接口中一些参数的意义是什么？

????????sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM,0 );

② socket参数详解

• int socket( int domain, int type, int protocol );

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• socket()中的domain参数（协议族）
  • PF_INET → IPv4互联网协议族
  • PF_INET6 → IPv6互联网协议族
  • PF_LOCAL → 本地通信的协议族（进程间通信）
  • PF_PACKET → 底层数据收发协议族
  • PF_IPX → Novell专用协议（互联网分组交换协议)
  • 注意：不同协议中的地址表现形式可能不同，网络编程时地址类型必须和协议类型匹配

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• socket()中的type和protocol参数
  • type 用于指定协议类型
    • SOCK_STREAM：流式数据（TCP）
    • SOCK_UGRAM：报文式数据（UDP）
  • protocol 用于指定协议族中符合类型的具体协议
    • domain和type几乎可以唯一确定一种协议，因此，这个参数通常为0
    • 即：0 代表domain和type指定后的默认协议

③ 关于端口号和IP地址

• 端口号是一个2字节数据（无符号整数）
  • 0-1023作为特定端口被预定义(分配给特定应用程序)
  • 一些特定的系统1024-2048也被占用，体现在bind绑定失败，所以在使用时候，尽量使用大一点的端口号
• IP地址是一个4字节地址族（可分为5类地址)（按照网络标识/主机标识的比例）

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④ 深入解析IP地址

• IP地址分为网络标识和主机标识两部分
  • 网络标识：标识网络主机(设备)所在的网络
  • 主机标识：标识网络主机(设备)的具体地址

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• 问题：一个IP地址就4个字节，那么如何区分网络标识和主机标识呢?

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• IP地址和子网掩码配合使用区分网络标识和主机标识
• 子网掩码的表现形式也是一个4字节的整型数
• 子网掩码用于从IP地址中提取网络标识（按位与）

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• 深入理解子网掩码
  • 设：子网掩码为M.N.P.Q，则子网可用IP地址n = (256 - M)*(256 - N)*(256 - P)* (256 - Q)
  • 例：IP地址211.99.34.33，掩码255.255.255.248。因此：根据上式计算，211.99.34.33所在子网有8个IP地址，根据ip地址与子网掩码与计算，可知 33所在子网地址为211.99.34.32，广播地址为211.99.34.39，子网中可用地址为211.9.34.33 - 211.9.34.38

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• IP地址211.99.34.33，掩码255.255.255.248
  • 可知211.99.34.33所在子网有8个IP地址，且8=2^3，所以Y = 32-3 = 29
  • 表示为211.99.34.33/29(简洁表示法)
  • 掩码是32位，这个29代表高位有多少个1
• 算一算
  • IP地址192.168.3.44，掩码255.255.255.0，问：子网地址是什么?广播地址是什么?可用地址有多少?简洁表示法是什么?

????????192.168.3.0????????? 192.168.3.255???????? 254个（0广播地址，255子网地址） 通常这个子网下路由器的地址192.168.3.1???????? 192.168.3.44/24

• 特殊的地址
  • 0.0.0.0 / 0 保留，常用于代表“缺省网络”
  • 127.0.0.0 /8 回环地址，常用于本地软件回送测试
  • 255.255.255.255 / 32 广播地址
• 私有地址：不在公网（互联网）使用，只在内网（局域网）使用
  • 10.0.0.0 -10.255.255.255 /8
  • 172.16.0.0.-172.31.255.255 / 16
  • 192.168.0.0 -192.168.255.255 /24

⑤ 网络编程中的地址类型

问题：这样子的强制类型转换不会出问题吗?

⑥ 地址数据类型解析

????????socket多功能函数，支持不同类型的通信，不同类型的通信中地址的指定是不一样的，所以这个函数的地址类型只能使用sockaddr结构体，

????????但是在具体的编程时，我们才能决定使用哪个专向的结构体。

????????设备根据统一的内部结构体，通过入参sa_family判断具体是哪种类型。

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⑦ IP 地址相关函数

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????????注意：inet_ntoa() 重复调用会覆盖上一次的调用; inet_aton() 可以用来检测用户输入的ip是否正确。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <malloc.h>

int main()
{
    unsigned int addr = inet_addr("1.2.3.4");
    struct in_addr addr1 = {0x09080706};
    struct in_addr addr2 = {0x05040302};
    char* s1 = strcpy(malloc(32), inet_ntoa(addr1));
    char* s2 = strcpy(malloc(32), inet_ntoa(addr2));// inet_ntoa() 重复调用会覆盖上一次的调用

    printf("addr = %x\n", addr);

    printf("addr1 = %x\n", addr1.s_addr);
    printf("addr2 = %x\n", addr2.s_addr);
    printf("s1 = %s\n", s1);
    printf("s2 = %s\n", s2);
    printf("s1 == s2 : %d\n", s1==s2);

    if( inet_aton("D.T.Software", &addr1) )
    {
        printf("addr1 = %x\n", addr1.s_addr);
    }

    free(s1);
    free(s2);
    
    return 0;
}

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4、尝鲜 select 多路复用

① Linux的设计哲学：一切皆文件！！！

② Linux中的文件是什么?

• 狭义
  • 文件系统中物理意义上的文件(逻辑上关联的数据集合)
• 广义:
  • 设备，管道，内存，。 。 。
  • Linux管理的一切对象

③ 理解文件描述符(File Descriptor)

• 文件描述符是一个非负整数值，本质是一个句柄
• 一切对用户(程序员)透明的资源标识都可以看作句柄
• 用户使用文件描述符（句柄）与内核交互
• 内核通过文件描述符操作对应资源的数据结构

④ 一切皆文件的意义

• 统一各种设备的操作方式(open,read, write, close)
• 如：
  • IO设备(命令行，显示器)
  • 网络设备（网卡)
  • ……..

⑤ Linux文件操作编程模式

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⑥ 编程实验：以文件方式操作命令行

输入输出设备在系统启动时就打开了。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

// Linux的设计哲学：一切皆文件！！！
// 输入输出设备也可以当文件来读写
int main()
{
    int iofd = 0;
    char s[] = "Exp.Joker\n";
    int len = 0;

    write(0, s, sizeof(s));

    len = read(0, s, 5);

    s[len] = 0;// 添加结束符

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

    return 0;
}

⑦ 事件相关函数的分类

• 阻塞式函数
  • 函数调用后需要等待某个事件发生后才会返回（scanf read accept 等数据）
• 非阻塞式函数
  • 函数调用后能够及时返回(仅标记等待的事件)
  • 事件发生后以回调方式传递

⑧ 阻塞?vs 轮询

• 轮询指依序询问每一个相关设备是否需要服务的方式
• 轮询可用于解决阻塞函数导致程序无法继续执行的问题

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⑨ 神奇的select()函数

• select()用于监视指定的文件描述符是否产生事件
• 可通过轮询的方式检测目标事件（事件产生则标记发生变化）
• 根据事件类型做出具体处理（如：读取数据）

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• 返回值：判断是否有事件发生
• readset 读事件
• writeset 写事件
• timeout 超时（等待时间）

⑩ select()函数的使用步骤

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? select()相关数据类型及操作

????????fd_set 数据类型：用来做标记，内部有很多比特位，每个比特位代表一个文件描述符上是否有事件发生。

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????????FD_ISSET ： 查看关心的位是否发生改变

? 使用select()进行轮询

? 编程实验：select()初体验

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int iofd = 0;
    char s[] = "Cryin\n";
    int len = 0;
    fd_set reads = {0}; // 标记对哪些文件描述符感兴趣：数据到达感兴趣
    fd_set temps = {0};
    struct timeval timeout = {0};// 停留的时间

    FD_ZERO(&reads);     // 所有标记清零
    FD_SET(iofd, &reads);// 标记文件描述符所对应的位置

    while( 1 )
    {
        int r = -1;

        temps = reads;    // NOTICE!!!

        timeout.tv_sec = 0;
        timeout.tv_usec = 50000; // 微秒
		// [0,1) ,读,写,停留时间
        r = select(1, &temps, 0, 0, &timeout);

        if( r > 0 )// 如果有事件发生
        {
            len = read(iofd, s, sizeof(s)-1);

            s[len] = 0;// 添加结束符

            printf("Input: %s\n", s);
        }
        else if( r == 0 )// 如果没有事件发生
        {
	        // 计数
            static int count = 0;

            usleep(10000);   // do something else

            count++;

            if( count > 100 )
            {
                printf("do something else\n");

                count = 0;
            }
        }
        else// 发生错误
        {
            break;
        }
    }

    return 0;
}

5、基于多路复用的服务端

① 目前服务端的瓶颈分析

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?② 解决方案：阻塞变轮询

• 通过select()函数首先监听服务端server_fd，目标事件为“连接”（读)
• 当事件发生(客户端连接）则调用accept()接受连接
• 将client_fd加入监听范围，目标事件为“数据接收”(读)
• 循环查看各个被监听的文件描述符是否有事件发生

③ 实现方式

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?④ 实现逻辑

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?⑤ 实现关键

• 动态调整需要监视的文件描述符
  • 当接收到客户端连接时，将客户端文件描述符加入监听变量(fd_set)中
  • 当发现客户端断开时，在监听变量（fd_set）中剔除客户端文件描述符

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• 动态调整需要监视的文件描述符数量
• 保证每个需要监视的文件描述符能够被轮询
  • max = (client > max) ? client : max;

⑥ 编程实验：改进后的服务端

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define JR_SUCCESS                       0
#define JR_FAILURE                      -1

// 新的客户端连接
int server_handler(int server)
{
    struct sockaddr_in addr = {0};
    socklen_t asize = sizeof(addr);

	// 获得用于通信的socket
    return accept(server, (struct sockaddr*)&addr, &asize);
}

// 接收客户端的数据
int client_handler(int client)
{
    char buf[32] = {0};
    int ret = read(client, buf, sizeof(buf)-1);

	// 获取到数据，回发
    if( ret > 0 )
    {
        buf[ret] = 0;

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

        if( strcmp(buf, "quit") != 0 )
        {
            ret = write(client, buf, ret);
        }
        else
        {
            ret = -1;
        }
    }

    return ret;
}

int main()
{
    int server = 0;
    struct sockaddr_in saddr = {0};
    int max = 0;
    int num = 0;
    fd_set reads = {0}; // 标记对哪些文件描述符感兴趣：数据到达感兴趣
    fd_set temps = {0}; // select函数在轮询的时候会影响这个参数，select函数返回的时候，这个参数就已经变了
    struct timeval timeout = {0};

	// 申请系统资源
    server = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if( server == JR_FAILURE )
    {
        printf("server socket error\n");
        return JR_FAILURE;
    }

	// 绑定
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);// "0.0.0.0" 代表本机的连接全部接受
    saddr.sin_port = htons(8888);
    if( bind(server, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr)) == JR_FAILURE )
    {
        printf("server bind error\n");
        return JR_FAILURE;
    }

	// 监听
    if( listen(server, 1) == JR_FAILURE ) // 每次只服务一个客户端
    {
        printf("server listen error\n");
        return JR_FAILURE;
    }
	else
    	printf("server start success\n");

	
    FD_ZERO(&reads);		// 所有标记清零
    FD_SET(server, &reads);	// 标记文件描述符所对应的位置

    max = server;

    while( 1 )
    {
        temps = reads;

        timeout.tv_sec = 0;
        timeout.tv_usec = 10000;
		// [0,max] ,读,写,停留时间
        num = select(max+1, &temps, 0, 0, &timeout);

		// 等待事件发生 (num标记发生事件的数量)
        if( num > 0 )
        {
            int i = 0;

			// 遍历查找是否发生服务端事件
            for(i=1; i<=max; i++)// [1,max],0代表的是输入输出设备
            {
                if( FD_ISSET(i, &temps) )
                {
	                // 判断
                    if( i == server )
                    {
	                    // 新的客户端连接
                        int client = server_handler(server);

                        if( client > -1 )
                        {
	                        // 标记文件描述符所对应的位置
                            FD_SET(client, &reads);

							// 更新max在select轮询中包含该事件
                            max = (client > max) ? client : max;

                            printf("accept client: %d\n", client); 
                        }
                    }
                    else
                    {
                        int r = client_handler(i);

                        if( r == -1 )
                        {
	                        
                            FD_CLR(i, &reads);
                            close(i);
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    
    close(server);

    return 0;
}