libuv 中文编程指南(四)网络

2013-03-17 21:57 Haippy 阅读(27661) 评论(4) 编辑收藏举报

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:

uv_tcp_init 初始化 TCP 监视器.
uv_tcp_bind 绑定.
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.
uv_accept 接受连接.
使用 stream operations 与客户端进行通信.

以下是一个简单的 echo 服务器的例子:

int main() {
    loop = uv_default_loop();

    uv_tcp_t server;
    uv_tcp_init(loop, &server);

    struct sockaddr_in bind_addr = uv_ip4_addr("0.0.0.0", 7000);
    uv_tcp_bind(&server, bind_addr);
    int r = uv_listen((uv_stream_t*) &server, 128, on_new_connection);
    if (r) {
        fprintf(stderr, "Listen error %s\n", uv_err_name(uv_last_error(loop)));
        return 1;
    }
    return uv_run(loop, UV_RUN_DEFAULT);
}

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.

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.

void on_new_connection(uv_stream_t *server, int status) {
    if (status == -1) {
        // error!
        return;
    }

    uv_tcp_t *client = (uv_tcp_t*) malloc(sizeof(uv_tcp_t));
    uv_tcp_init(loop, client);
    if (uv_accept(server, (uv_stream_t*) client) == 0) {
        uv_read_start((uv_stream_t*) client, alloc_buffer, echo_read);
    }
    else {
        uv_close((uv_handle_t*) client, NULL);
    }
}

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.

uv_loop_t *loop;
uv_udp_t send_socket;
uv_udp_t recv_socket;

int main() {
    loop = uv_default_loop();

    uv_udp_init(loop, &recv_socket);
    struct sockaddr_in recv_addr = uv_ip4_addr("0.0.0.0", 68);
    uv_udp_bind(&recv_socket, recv_addr, 0);
    uv_udp_recv_start(&recv_socket, alloc_buffer, on_read);

    uv_udp_init(loop, &send_socket);
    uv_udp_bind(&send_socket, uv_ip4_addr("0.0.0.0", 0), 0);
    uv_udp_set_broadcast(&send_socket, 1);

    uv_udp_send_t send_req;
    uv_buf_t discover_msg = make_discover_msg(&send_req);

    struct sockaddr_in send_addr = uv_ip4_addr("255.255.255.255", 67);
    uv_udp_send(&send_req, &send_socket, &discover_msg, 1, send_addr, on_send);

    return uv_run(loop, UV_RUN_DEFAULT);
}

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).

void on_read(uv_udp_t *req, ssize_t nread, uv_buf_t buf, struct sockaddr *addr, unsigned flags) {
    if (nread == -1) {
        fprintf(stderr, "Read error %s\n", uv_err_name(uv_last_error(loop)));
        uv_close((uv_handle_t*) req, NULL);
        free(buf.base);
        return;
    }

    char sender[17] = { 0 };
    uv_ip4_name((struct sockaddr_in*) addr, sender, 16);
    fprintf(stderr, "Recv from %s\n", sender);

    // ... DHCP specific code

    free(buf.base);
    uv_udp_recv_stop(req);
}

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:

UV_EXTERN int uv_udp_set_membership(uv_udp_t* handle,
    const char* multicast_addr, const char* interface_addr,
    uv_membership membership);

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:

int main() {
    loop = uv_default_loop();

    struct addrinfo hints;
    hints.ai_family = PF_INET;
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
    hints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
    hints.ai_flags = 0;

    uv_getaddrinfo_t resolver;
    fprintf(stderr, "irc.freenode.net is... ");
    int r = uv_getaddrinfo(loop, &resolver, on_resolved, "irc.freenode.net", "6667", &hints);

    if (r) {
        fprintf(stderr, "getaddrinfo call error %s\n", uv_err_name(uv_last_error(loop)));
        return 1;
    }
    return uv_run(loop, UV_RUN_DEFAULT);
}

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.

void on_resolved(uv_getaddrinfo_t *resolver, int status, struct addrinfo *res) {
    if (status == -1) {
        fprintf(stderr, "getaddrinfo callback error %s\n", uv_err_name(uv_last_error(loop)));
        return;
    }

    char addr[17] = {'\0'};
    uv_ip4_name((struct sockaddr_in*) res->ai_addr, addr, 16);
    fprintf(stderr, "%s\n", addr);

    uv_connect_t *connect_req = (uv_connect_t*) malloc(sizeof(uv_connect_t));
    uv_tcp_t *socket = (uv_tcp_t*) malloc(sizeof(uv_tcp_t));
    uv_tcp_init(loop, socket);

    connect_req->data = (void*) socket;
    uv_tcp_connect(connect_req, socket, *(struct sockaddr_in*) res->ai_addr, on_connect);

    uv_freeaddrinfo(res);
}

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.

#include <stdio.h>
#include <uv.h>

int main() {
    char buf[512];
    uv_interface_address_t *info;
    int count, i;

    uv_interface_addresses(&info, &count);
    i = count;

    printf("Number of interfaces: %d\n", count);
    while (i--) {
        uv_interface_address_t interface = info[i];

        printf("Name: %s\n", interface.name);
        printf("Internal? %s\n", interface.is_internal ? "Yes" : "No");
        
        if (interface.address.address4.sin_family == AF_INET) {
            uv_ip4_name(&interface.address.address4, buf, sizeof(buf));
            printf("IPv4 address: %s\n", buf);
        }
        else if (interface.address.address4.sin_family == AF_INET6) {
            uv_ip6_name(&interface.address.address6, buf, sizeof(buf));
            printf("IPv6 address: %s\n", buf);
        }

        printf("\n");
    }

    uv_free_interface_addresses(info, count);
    return 0;
}

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.

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