阻塞IO

用户层：

char buf[1024];

recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);// 程序卡在这里等待数据

内核

1、检查socket接收缓冲区是否有数据

2、若无数据：

•将进程状态设为TASK_INTERRUPTIBLE（可中断睡眠）

•进程从CPU运行队列移出，触发调度器切换其他进程运行

3、数据到达：

•网卡触发硬件中断→ 内核将数据拷贝到接收缓冲区

•唤醒进程（状态改为TASK_RUNNING），重新加入运行队列

非阻塞IO

函数原型：int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg*/ );

用户层：

fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // 设置非阻塞标志
while (1) {
    int n = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
    if (n >= 0) break;          // 数据就绪
    if (errno != EAGAIN) exit(1); // 错误处理
    usleep(1000);               // 避免CPU占满
}

1、检查接收缓冲区，无论是否就绪都立即返回结果

2、无数据时：返回EAGAIN错误码，进程继续执行（不进入睡眠）

在非阻塞 I/O 模式下，如果数据未就绪，系统调用（如 read/write）会立即返回错误（如 EAGAIN）。如果不加处理而使用一个死循环不断轮询，CPU 会被占满（称为“忙等待”）。

为了避免这种情况，常见的方法是在循环中加入短暂的延迟（如调用 sleep、usleep 或 nanosleep），让出 CPU 给其他进程或线程，从而降低占用率。更高级的做法是配合 I/O 多路复用（如 select、poll、epoll）实现事件驱动，这比简单的 sleep 更高效，但不在选项内。

IO多路复用

IO多路复用是一种单线程或单进程管理多个文件描述符（如套接字）的技术，核心是通过系统调用监视多个IO操作的状态，当某个IO操作就绪（可读、可写或发生异常）时，通知应用程序进行处理

select

select函数

头文件：#include <sys/socket.h> #include <sys/types.h>

函数原型：int select(int nfds, fd_set*readfds, fd_set*writefds,fd_set*exceptfds, struct timeval*timeout);

参数：

•nfds要监视的最大的文件描述符+1

•readfds要监视的读文件描述符集合，如果不关心，可以传NULL

•writefds要监视的写文件描述符集合，如果不关心，可以传NULL

•exceptfds要监视的异常文件描述符集合，如果不关心，可以传NULL

•timeout超时时间如果是NULL表示永久阻塞

返回值：成功返回返回就绪的文件描述符的个数，失败返回-1（并重置错误码）

poll

poll函数

头文件：#include <sys/socket.h> #include <sys/types.h>

函数原型：int poll(struct pollfd*fds, nfds_tnfds, int timeout);

参数：

•fds一个指向pollfd结构体数组的指针，它描述了要监视的文件描述符及其事件

•nfdsfds数组中有效描述符元素的数量

•timeout是等待时间，单位为毫秒

返回值：成功返回结构体中revents域不为0的文件描述符个数；如果在超时前没有任何事件发生，poll()返回0，失败返回-1（并重置错误码）

IO多路复用

就绪事件通常包括以下三类：

可读：表示有数据可读，或者连接已关闭/出错（此时读操作会返回 0 或 -1）。

可写：表示可以写入数据（发送缓冲区未满）。

异常：表示发生异常事件，如带外数据（OOB）到达。

并发服务器

服务器模型

服务器模型有两种：循环服务器、并发服务器

循环服务器:循环服务器在同一个时刻只能响应一个客户端的请求

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

TCP服务器默认的就是一个循环服务器，因为有两个阻塞的函数accept和recv之间相互影响

UDP服务器默认的就是一个并发服务器，因为只有一个阻塞的函数recvfrom

• 循环服务器（Iterative Server）在一个时间点只能处理一个客户端请求，必须完成当前客户端的服务后，才能接受并处理下一个客户端的连接或请求。它通常采用单线程/单进程模型，实现简单但并发能力差。

• 并发服务器（Concurrent Server）可以同时处理多个客户端的请求，通过多进程、多线程或 I/O 多路复用（如 select/epoll）实现。每个客户端连接可由独立的进程或线程处理，从而显著提高并发性能。

多线程并发服务器

实现原理：

流程：

主线程

创建监听Socket → bind() → listen()

while (1) {accept()接收新连接→ 创建子线程处理连接}

子线程

recv()/send()处理客户端请求

close()关闭连接

实现原理：

fork()模型：

•主进程监听连接，子进程处理请求

•父子进程完全独立，崩溃互不影响

预fork优化：

•启动时预先创建多个子进程（类似Apache）

•通过共享监听socket（SO_REUSEPORT）实现负载均衡

主进程：

•1.创建监听Socket → bind() → listen()

•2. while (1) {accept()接收新连接→ fork()创建子进程处理连接}

子进程：

•1. close()关闭监听Socket（继承自父进程）

•2. recv()/send()处理客户端请求

•3. exit()退出

IO多路复用并发服务器

主线程
1.创建监听Socket → bind() →listen()	2.初始化fd_set集合，将监听Socket加入集合	3. while (1) { select()监听所有fd →返回就绪的fd数量 for (每个就绪的fd) { if (是监听Socket) →accept()新连接并加入fd_set else → recv()/send()处理数据 } }

pollfd结构体

struct pollfd {
    int fd;         // 文件描述符
    short events;   // 等待的事件
    short revents;  // 实际发生的事件
};

事件类型	常值	说明
读事件	POLLIN	普通或优先带数据可读
	POLLPRI	高优先级数据可读
写事件	POLLOUT	普通或优先带数据可写
	POLLWRNORM	普通数据可写
错误事件	POLLERR	发生错误
	POLLHUP	发生挂起
	POLLNVAL	描述符不是打开的文件

TCP/IP协议

常见协议头分析

TCP/IP协议网络封包格式

源端口（16bit）		目的端口（16bit）
序号（32bit）
确认号（32bit）
源IP地址（32bit）
数据偏移（4bit）	保留(6bit)	URG	ACK	PSH	PSH	SYN	FIN	窗口（16bit）
校验和（16bit）		紧急指针（16bit）
选项（长度可变）					填充

TCP首部：

源端口和目的端口：TCP首部前两个字段，各占16位，用于标识发送和接收的应用进程。

序号和确认号：序号（32位）用于字节流编号，确认号（32位）用于告诉对方期望收到的下一个字节序号，仅在ACK标志位为1时有效。

窗口大小：16位字段，用于流量控制，告知对方自己的接收窗口大小。

版本号	首部长度	服务类型（TOS）	总长度
标识			标志位	片偏移
生存时间（TTL）		协议	首部检验和
源IP地址
目的IP地址
选项字段（长度可变）			填充
数据

IP首部中，与分片直接相关的字段包括：

标识：用于标识同一原始数据报的不同分片，便于接收端重组。

标志位：包含 DF（不分片）和 MF（更多分片），控制是否允许分片及指示是否为最后一个分片。

片偏移：表示该分片在原数据报中的位置（以8字节为单位），用于正确重组。

标志位字段共 3 位，包含以下标志：

保留位：必须为 0（目前未使用）。

不分片（DF, Don't Fragment）：置 1 表示不允许分片。

更多分片（MF, More Fragments）：置 1 表示后续还有分片。

TCP/IP协议数据封装过程

抓包工具wireshark的使用

TCP沾包问题及解决方案

TCP沾包问题

TCP 是面向字节流的协议：它不维护应用层消息的边界，只是将数据看作一串连续的字节序列。发送方可能将多个小数据块合并发送（例如 Nagle 算法），接收方也可能一次读取到多个消息的数据，导致应用层分不清哪里是一条消息的结束和下一条消息的开始，从而产生“粘包”。

TFTP协议

TFTP协议格式

根据不同的报文类型（RRQ、WRQ、DATA、ACK、ERROR），包含以下字段：

• 操作码：所有报文都必须包含的公共头部，用于区分报文类型。

• 块编号：出现在DATA和ACK报文中，用于标识数据块序号。

• 文件名：出现在RRQ和WRQ报文中，用于指定要读写的文件。

• 数据：出现在DATA报文中，用于承载文件内容（最多512字节）。

TFTP通讯流程

选项	与 TFTP 的关系	简要说明
块（Block）	核心单元	TFTP 协议传输的文件数据被分割成块。这是TFTP协议层面的逻辑单位，传输时每个数据包都包含一个块的数据。
帧（Frame）	底层载体	指数据链路层的传输单元。TFTP 的数据包最终会被封装在以太网帧中进行物理传输。
包（Packet）	同层概念	在大多数网络上下文中，packet 是对网络层（IP）PDU的泛指。同时，TFTP也可以被视为构建在 UDP 数据报 (datagram) 之上的应用层协议。
段（Segment）	不同协议	通常指传输控制协议（TCP）的协议数据单元，而TFTP使用的是UDP（无连接的传输层协议）

TFTP文本传输

根据 TFTP 的正式规范 RFC 1350 定义，每个 DATA（数据包）的结构中，用于标识块编号（Block Number）的字段长度为 16 位（16-bit）

一个 16 位的无符号整数，其可表示的数值范围是 0 到 65535。然而，协议规定 DATA 包的块编号必须从 1 开始编号，因此，块编号的最大值就是 65535

TFTP协议共有五种报文，其操作码值如下：

类型	操作码	功能描述	关键字段
读请求 (RRQ)	1	客户端向服务器请求下载文件。	文件名、传输模式
写请求 (WRQ)	2	客户端请求向服务器上传文件。	文件名、传输模式
数据包 (DATA)	3	用于实际传输文件数据，每包数据大小固定为512字节。	块编号、文件数据
确认包 (ACK)	4	用于确认已成功接收到一个数据块，告知发送方可以发送下一个。	确认的块编号
错误包 (ERROR)	5	当发生错误时（如文件未找到），用于通知对方终止传输。	差错码、差错信息

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