计算机网络 lab3 使用 Socket 完成多人聊天室 -- 原理

發表於 2021-04-24 更新於 2021-07-01 分類於大学课程-计算机网络

一、服务器和客户端的功能

1. 客户端需要支持下面几个功能

(1) 连接服务器

(2) 支持用户输入聊天消息，发送消息给服务器

(3) 接收并显示服务器的消息

(4) 退出连接

针对上述需求，客户端的实现需要两个进程分别支持下面的功能：
(1) 子进程的功能：
等待用户输入聊天信息
将聊天信息写到管道（pipe），并发送给父进程
(2) 父进程的功能：
使用 epoll 机制接受服务端发来的信息，并显示给用户，使用户看到其他用户的聊天信息
将子进程发给的聊天信息从管道（pipe）中读取，并发送给服务端

2. 服务器端需要支持下面几个功能

(1) 支持多个客户端接入，实现聊天室基本功能

(2) 启动服务建立监听端口等待客户端连接

(3) 使用 epoll 机制实现并发，增加效率

(4) 客户端连接时发送欢迎消息并存储连接记录

(5) 客户端发送消息时广播给其他所有客户端

(6) 客户端请求退出时对连接信息进行清理

3. 模型

二、概念介绍

1. 阻塞与非阻塞 socket

非阻塞设置方式示例代码：

1 2	// 将文件描述符设置为非阻塞方式（利用 fcntl 函数） fcntl (sockfd, F_SETFL, fcntl (sockfd, F_GETFD, 0)\| O_NONBLOCK);

这个函数接受三个参数，第一个参数是文件描述符（linux 认为所有东西都是文件，socket 也是文件），第二个是要对第一个文件做什么动作（设置参数、读取参数之类的），第三个参数设置具体的行为（设置某种参数）。

F_SETFL 从字面意思就是设置文件的标志，F_GETFD 从字面意思就是读取文件的标志。

先用 fcntl (sockfd, F_GETFD, 0) 读取套接字信息，读取的是一个整数。任何一个整数都可以用二进制表示，二进制的每一位为 0 或者 1 都可以表示文件的某个属性的状态。

再用 fcntl (sockfd, F_SETFL, fcntl (sockfd, F_GETFD, 0)| O_NONBLOCK); 设置文件的非阻塞属性。| 是 C++ 中的按位或，fcntl (sockfd, F_GETFD, 0)| O_NONBLOCK 的意思就是把表示 sockfd 属性的整数中关于阻塞与非阻塞的位置为有效。最后写入 sockfd 。

(1) STDIN_FILENO 与 STDIN 的区别：

STDIN_FILENO:
(a) 数据类型：int
(b) 层次：系统级的 API，是一个文件句柄，定义在 < unistd.h > 中。
(c) 相应的函数：open ()，close ()，read ()，write ()，lseek () 等系统级别的函数。
SDTIN：
(a) 数据类型：FILE *
(b) 层次：c 语言的提供的标准输入流。c 语言标准库封装系统函数实现。高级的输入输出函数。可在 < stdio.h > 中找到外部声明。
(c) 相应的函数：fopen ()，fclose ()，fread ()，fwrite ()，fseek () 等 c 语言标准函数。

(2) 文件描述符

文件必须先开启后才能进行读写操作，开启文件后会回传一个 File Descriptor (文件描述器、简称 fd)，之后的所有操作都会需要 fd 作为参数。除非每个行程明确将其关闭，否则行程至少会开启 3 个 fd，分别是 stdin (0), stdout (1) 及 stderr (2)，实际使用这三个 fd 时不需直接用 0 ~ 2 整数值，unistd.h 有预先定义好的 STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO 及 STDERR_FILENO。

　　核心内部会替每个行程 (task) 维护一份 file table，放在 current->files，用来记录行程开启的 fd，可以在 linux/sched.h 的 task_struct 中找到他。开档的系统呼叫会调用 fs/open.c 内的 do_sys_open ()，里面就会注册 fd 到行程的文件表。

(3) open 函数 - 打开文件

open 函数用来打开一个文件，建立一个文件描述符到文件路径的映射，为后续的各种文件操作建立一个文件标识。
open 函数原型如下：

1 2	#include <fcntl.h> int open (const char *pathname, int oflag,...);

返回值：如果成功则返回文件描述符，如果出错则返回 - 1。
参数：
(a) pathname 是要打开或创建的文件的路径或者名字。可以是绝对路径，也可以是相对路径。
(b) oflag 是操作选项。是一个整数，每个位代表一个操作选项。通过一些常量的或运算构成综合性的操作参数。
三个常量决定文件的读写模式，可以选择其中一个，不能同时选。这三个是 O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR。定义在头文件 < fcntl.h > 或者 < bits/fcntl.h > 中。

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#define O_RDONLY             00     /* 只读方式打开 */
#define O_WRONLY             01     /* 只写方式打开 */
#define O_RDWR               02     /* 读写方式打开 */

也就是说， oflag 参数的低 2 位 (bit0 和 bit1) 表示文件读写模式， bit0 为 1 表示文件只能用于写操作， bit1 为 1 表示可读也可写， bit0 和 bit1 都为 0 表示只读。

(4) fcntl 函数 cmd 值的 F_GETFL 和 F_SETFL

(a) 获取文件打开方式的标志 (fd 的文件状态标志)，标志值含义与 open 调用一致。
三个存取方式标志 (O_RDONLY , O_WRONLY , 以及 O_RDWR) 并不各占 1 位。(这三种标志的值各是 0 , 1 和 2，由于历史原因，这三种值互斥 — 一个文件只能有这三种值之一。) 因此首先必须用屏蔽字 O_ACCMODE 相与取得存取方式位，然后将结果与这三种值相比较。
(b) 将文件描述符 close-on-exec 标志设置为第三个参数 arg 的最后一位
设置给 arg 描述符状态标志，可以更改的几个标志是：O_APPEND，O_NONBLOCK，O_SYNC 和 O_ASYNC。而 fcntl 的文件状态标志总共有 7 个：O_RDONLY , O_WRONLY , O_RDWR , O_APPEND , O_NONBLOCK , O_SYNC 和 O_ASYNC

可更改的几个标志如下面的描述：
O_NONBLOCK 非阻塞 I/O，如果 read (2) 调用没有可读取的数据，或者如果 write (2) 操作将阻塞，则 read 或 write 调用将返回 - 1 和 EAGAIN 错误
O_APPEND 强制每次写 (write) 操作都添加在文件大的末尾，相当于 open (2) 的 O_APPEND 标志
O_DIRECT 最小化或去掉 reading 和 writing 的缓存影响。系统将企图避免缓存你的读或写的数据。如果不能够避免缓存，那么它将最小化已经被缓存了的数据造成的影响。如果这个标志用的不够好，将大大的降低性能
O_ASYNC 当 I/O 可用的时候，允许 SIGIO 信号发送到进程组，例如：当有数据可以读的时候

(5) bind 函数

网络编程 socket 之 bind 函数
 socket 绑定的 ip 为 INADDR_ANY 的意义

2.epoll

epoll 是 Linux 内核为处理大批句柄而作改进的 poll，是 Linux 特有的 I/O 函数。
epoll 之所以高效，是因为 epoll 将用户关心的文件描述符放到内核里的一个事件表中，而不是像 select/poll 每次调用都需要重复传入文件描述符集或事件集。比如当一个事件发生（比如说读事件），epoll 无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核 IO 事件异步唤醒而加入就绪队列的描述符集合就行了。

3. 多线程

pthread 简要使用指南（三）线程的终止

4. 取得本地 IP

linux 的環境下，在 C 程式裡 popen 的用法 & 取得 ip 位置的範例
可以参考这篇文章中在 C 程序中使用 shell 命令的方法
但是我实测它的代码是不能用的，需要进行一些修改

void get_local_ip (char *ip)
{
     FILE *fpRead;

     // 使用 shell command 來取得 ip 值    
    char* command=(char*)"ifconfig | grep 'inet'| grep -v '127.0.0.1' | cut -d: -f2 | awk '{ print $2}'";
    char* renewCh;
  
    fpRead = popen (command, "r");
    fgets (ip, IP_SIZE , fpRead);

    // 記得作 pclose () 的動作
    if (fpRead != NULL)
         pclose (fpRead);
 
    // 最後檢查取出的字串當中是否有多餘的換行，若有直接取代為 '\0' 作結尾
    renewCh=strstr (ip,"\n");
    if (renewCh)
        *renewCh= '\0';

    //printf ("=== % s ===\n", ip);
}

命令解释如下：
grep ‘inet’ 截取包含 ip 的那两行
grep -v ‘127.0.0.1’ 去掉本地指向的那行
cut -d: -f2 -d: 以：分割字符串 -f2：取第二组数据
awk ‘{print $2}’ $2 表示默认以空格分割的第二组同理 $1 表示第一组

三、错误

ryu-manager 报错 SyntaxError: invalid syntax

https://blog.csdn.net/jiao424525707/article/details/103045159
https://blog.csdn.net/cyz14/article/details/79994548
但是后来没有解决，因为可以不用到 ryu

Exception: Please shut down the controller which is running on port 6653:

make: * 没有指明目标并且找不到 makefile。停止。

一开始把文件名取出 Makefile 出错，后来改成 makefile 就可以了

‘iostream’: No such file or directory

先注意你的编译器要用 C++ 编译器，还有副档名（扩展名）要用 “.cpp” 而不能用 “.c”。还不行那就用老式表头档，格式为：#include // 就不用 using namespace std; 这一行了。

Virtualbox 和主机共享粘贴板

补充

命令参数的三大风格：Posix、BSD、GNU
AF_INET 和 PF_INET 的细微不同

gcc 和 g++ 的差别

1	g++ -o staic_test.o static_test.cpp

1	gcc -o staic_test.o static_test.cpp -lstdc++

可正常编译通过。
分析：
gcc 命令不能自动和 C＋＋程序使用的库联接，所以使用 gcc 编译 c++ 代码时，通常需要增加 - lstdc++ 选项，或者直接使用 g++ 来完成联接。g++ 在编译阶段，会自动调用 gcc。

四、参考

mininet 實戰
 【Mininet 从入门到精通】第 2 讲 Mininet 网络从创建到部署
 SDN 为 host 赋予服务器、客户端的作用
 mininet 命令
 mininet 常见用法
 计算机网络实验二：UDP 套接字编程实现多人聊天 Java 实现
 做好这些项目，你就真正的入门 C/C++ 了！
重点 socket 多人聊天程序 C 语言版 (一)
重点 Linux-C 使用 UDP 实现的局域网聊天小程序
重点 C++ 实现即时通信软件
 C 语言练手项目 —C 语言编写聊天室
 國立台灣大學電機工程學系網路與多媒體實驗
 逸中軟體

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