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networking.rst

File metadata and controls

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网络

libuv 的网络接口与 BSD 套接字接口存在很大的不同, 某些事情在 libuv 下变得更简单了, 并且所有接口都是都是非阻塞的, 但是原则上还是一致的. 另外 libuv 也提供了一些工具类的函数抽象了一些让人生厌的, 重复而底层的任务,比如使用 BSD 套接字结构来建立套接字, DNS 查询, 或者其他各种参数的设置.

libuv 中在网络 I/O 中使用了 uv_tcp_t 和 uv_udp_t 两个结构体.

TCP

TCP 是一种面向连接的流式协议, 因此是基于 libuv 的流式基础架构上的.

服务器(Server)

服务器端的 sockets 处理流程如下:

  1. uv_tcp_init 初始化 TCP 监视器.
  2. uv_tcp_bind 绑定.
  3. 在指定的监视器上调用 uv_listen 来设置回调函数, 当有新的客户端连接到来时, libuv 就会调用设置的回调函数.
  4. uv_accept 接受连接.
  5. 使用 :ref:`stream operations <buffers-and-streams>` 与客户端进行通信.

以下是一个简单的 echo 服务器的例子:

tcp-echo-server/main.c - The listen socket

.. literalinclude:: ../code/tcp-echo-server/main.c
    :linenos:
    :lines: 50-
    :emphasize-lines: 4-5,7-9

你可以看到辅助函数 uv_ip4_addr 用来将人为可读的字符串类型的 IP 地址和端口号转换成 BSD 套接字 API 所需要的 struct sockaddr_in 类型的结构. 逆变换可以使用 uv_ip4_name 来完成.

Note

对于 IPv6 来说应该使用 uv_ip6_* 形式的函数.

大部分的设置(setup)函数都是普通函数, 因为他们都是 计算密集型(CPU-bound), 直到调用了 uv_listen 我们才回到 libuv 中回调函数风格. uv_listen 的第二个参数 backlog 队列长度 -- 即连接队列最大长度.

当客户端发起了新的连接时, 回调函数需要为客户端套接字设置一个监视器, 并调用 uv_accept 函数将客户端套接字与新的监视器在关联一起. 在例子中我们将从流中读取数据.

tcp-echo-server/main.c - Accepting the client

.. literalinclude:: ../code/tcp-echo-server/main.c
    :linenos:
    :lines: 34-48
    :emphasize-lines: 9-10

剩余部分的函数与上一节流式例子中的代码相似, 你可以在例子程序中找到具体代码, 如果套接字不再使用记得调用 uv_close 关闭该套接字. 如果你不再接受连接, 你可以在 uv_listen 的回调函数中关闭套接字.

客户端(Client)

在服务器端你需要调用 bind/listen/accept, 而在客户端你只需要调用 uv_tcp_connect. uv_tcp_connect 使用了与 uv_listen 风格相似的回调函数 uv_connect_cb 如下:

uv_tcp_t socket;
uv_tcp_init(loop, &socket);

uv_connect_t connect;

struct sockaddr_in dest = uv_ip4_addr("127.0.0.1", 80);

uv_tcp_connect(&connect, &socket, dest, on_connect);

建立连接后会调用 on_connect.

UDP

User Datagram Protocol 提供了无连接, 不可靠网络通信协议, 因此 libuv 并不提供流式 UDP 服务, 而是通过 uv_udp_t 结构体(用于接收)和 uv_udp_send_t 结构体(用于发送)以及相关的函数给开发人员提供了非阻塞的 UDP 服务. 所以, 真正读写 UDP 的函数与普通的流式读写非常相似.为了示范如何使用 UDP, 下面提供了一个简单的例子用来从 DHCP 获取 IP 地址. -- DHCP 发现.

Note

你应该以 root 用户运行 udp-dhcp, 因为该程序使用了端口号低于 1024 的端口.

udp-dhcp/main.c - Setup and send UDP packets

.. literalinclude:: ../code/udp-dhcp/main.c
    :linenos:
    :lines: 7-10,104-
    :emphasize-lines: 8,10-11,14,15,21

Note

0.0.0.0 地址可以绑定本机所有网口. 255.255.255.255 是广播地址, 意味着网络包可以发送给子网中所有网口, 端口 0 说明操作系统可以任意指定端口进行绑定.

首先我们在 68 号端口上设置了绑定本机所有网口的接收套接字(DHCP 客户端), 并且设置了读监视器. 然后我们利用相同的方法设置了一个用于发送消息的套接字. 并使用 uv_udp_send 在 67 号端口上(DHCP 服务器)发送 广播消息.

设置广播标志也是 必要 的, 不然你会得到 EACCES 错误 [1]. 发送的具体消息与本书无关, 如果你对此感兴趣, 可以参考源码. 若出错, 则读写回调函数会收到 -1 状态码.

由于 UDP 套接字并不和特定的对等方保持连接, 所以 read 回调函数中将会收到用于标识发送者的额外信息. 如果缓冲区是由你自己的分配的, 并且不够容纳接收的数据, 则``flags`` 标志位可能是 UV_UDP_PARTIAL. 在这种情况下, 操作系统会丢弃不能容纳的数据. (这也是 UDP 为你提供的特性).

udp-dhcp/main.c - Reading packets

.. literalinclude:: ../code/udp-dhcp/main.c
    :linenos:
    :lines: 15-27,38-41
    :emphasize-lines: 1,16

UDP 选项(UDP Options)

生存时间TTL(Time-to-live)

可以通过 uv_udp_set_ttl 来设置网络数据包的生存时间(TTL).

仅使用 IPv6 协议

IPv6 套接字可以同时在 IPv4 和 IPv6 协议下进行通信. 如果你只想使用 IPv6 套接字, 在调用 uv_udp_bind6 [2] 时请传递 UV_UDP_IPV6ONLY 参数.

多播(Multicast)

套接字可以使用如下函数订阅(取消订阅)一个多播组:

.. literalinclude:: ../libuv/include/uv.h
    :lines: 796-798

membership 取值可以是 UV_JOIN_GROUP 或 UV_LEAVE_GROUP.

多播包的本地回路是默认开启的 [3], 可以使用 uv_udp_set_multicast_loop 来开启/关闭该特性.

多播包的生存时间可以使用 uv_udp_set_multicast_ttl 来设置.

DNS 查询(Querying DNS)

libuv 提供了异步解析 DNS 的功能, 用于替代 getaddrinfo [4]. 在回调函数中, 你可以在获得的 IP 地址上执行普通的套接字操作. 让我们通过一个简单的 DNS 解析的例子来看看怎么连接 Freenode 吧:

dns/main.c

.. literalinclude:: ../code/dns/main.c
    :linenos:
    :lines: 61-
    :emphasize-lines: 12

如果 uv_getaddrinfo 返回非零, 表示在建立连接时出错, 你设置的回调函数不会被调用, 所有的参数将会在 uv_getaddrinfo 返回后被立即释放. 有关 hostname, servname 和 hints 结构体的文档可以在 getaddrinfo 帮助页面中找到.

在解析回调函数中, 你可以在 struct addrinfo(s) 结构的链表中任取一个 IP. 这个例子也演示了如何使用 uv_tcp_connect. 你在回调函数中有必要调用 uv_freeaddrinfo.

dns/main.c

.. literalinclude:: ../code/dns/main.c
    :linenos:
    :lines: 41-59
    :emphasize-lines: 8,16

网络接口(Network interfaces)

系统网络接口信息可以通过调用 uv_interface_addresses 来获得, 下面的示例程序将打印出机器上所有网络接口的细节信息, 因此你可以获知网口的哪些域的信息是可以得到的, 这在你的程序启动时绑定 IP 很方便.

interfaces/main.c

.. literalinclude:: ../code/interfaces/main.c
    :linenos:
    :emphasize-lines: 9,17

is_internal 对于回环接口来说为 true. 请注意如果物理网口使用了多个 IPv4/IPv6 地址, 那么它的名称将会被多次报告, 因为每个地址都会报告一次.

[1]http://beej.us/guide/bgnet/output/html/multipage/advanced.html#broadcast
[2]在 Windows 平台上仅支持 Windows Vista 以上的版本.
[3]http://www.tldp.org/HOWTO/Multicast-HOWTO-6.html#ss6.1
[4]libuv 使用线程池调用系统的 getaddrinfo 函数. libuv v0.8.0 及以前的版本引入 c-ares 作为异步 DNS 解析器, 但是在 v0.9.0中已经移除 c-ares 相关依赖了.