Linux高性能網絡編程

Linux高性能網絡編程

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2011-08-20 14:10

一、課程目標

本次課程深入講解Linux下的socket編程，并以此為基礎，著重討論如何提高網絡服務端應用的性能，通過本次課程的學習，學員將收獲以下方面的成果：

• 熟練使用socket系列函數進行網絡編程；
• 深刻理解服務端應用的性能要求；
• 利用Linux提供的各種機制，有效地解決服務端應用的性能瓶頸。

二、參訓要求

參加本次課程的學員須具備以下能力：

• 了解TCP/IP協議，有網絡編程概念。
• 本次課程使用 C語言 教學，所以學員需擁有較好的C語言基礎；
• 能熟練使用常用的Linux命令；
• 能熟練使用gcc、gdb、熟練撰寫makefile；
• 最好熟練使用vi、emacs等文本編輯器其中的一種。

三、課程實踐環境

• 學員自備電腦
• 操作系統：GNU/Linux 2.6+（建議使用Redhat AS 5+或Ubuntu、Fedora）
• 編譯器：GCC v4.1+、GDB v7.0+
• 可選IDE：Eclipse CDT

四、課程大綱

本次課程由以下幾個部分構成：

1、POSIX Thread - 多線程

• 線程管理

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  • 線程創建：pthread_create()
  • 線程終止：pthread_exit()
  • 線程連接和分離：join and detach
• 線程同步機制

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  • 互斥體：mutex
  • 讀寫鎖：read-write lock
  • 條件變量：condition variable
• 線程屬性控制
• mutex屬性控制

2、Socket 簡介

• Socket地址數據結構：struct sockaddr，struct sockaddr_in
• 字節序以及字節序操作：ntohl(), ntohs(), htonl(), htons()
• Internet地址操作：inet_aton(), inet_addr(), and inet_ntoa(), inet_pton(), inet_ntop()

3、TCP Socket

• socket()：創建socket
• bind()：綁定地址
• listen()：開始偵聽
• accept()：接受來自客戶端的連接
• connect()：連接到服務器
• getsockname()和getpeername()：獲取本地和對端地址
• I/O 操作：read(), write()
• 更高效的I/O 操作：readv(), writev()
• TCP Server編程步驟
• TCP Server v1：迭代式Echo Server
• TCP Server v2：多進程并發式Echo Server，使用fork()和exec*()
• TCP Server v3：多線程并發式Echo Server，使用pthread
• TCP Client編程步驟
• TCP Client：Echo Client

4、UDP Socket

• recvfrom()和sendto()：收發UDP數據報
• UDP Echo Server
• UDP Echo Client
• 組播(Multicast)和廣播(Broadcast)

5、Socket Options和 IP Options

• 常用的Socket Options
• 常用的IP Options
• Socket選項和IP選項對網絡應用的影響

6、I/O多路復用：構建反應式(Reactive)網絡應用

• UNIX I/O多路復用機制概要
• 為什么I/O 多路復用對于網絡應用很重要
• I/O 多路復用與多線程（反應式模型和并發模型）
• select / poll
• 在TCP Server和UDP Server中使用select和poll
• Linux特有I/O 多路復用機制：Event poll (epoll)
• 在TCP Server和UDP Server中使用epoll

7、異步I/O：構建前攝式(Proactive)網絡應用

• 相關概念：同步I/O和異步I/O、Proactor模式
• 異步I/O 是如何提高I/O 性能的
• 異步I/O系列操作
• 使用異步I/O的機制構建TCP Server

8、高性能網絡編程討論

• 考究高性能網絡編程中應該遵循的原則，討論并發、同步、事件多路分離等機制的適用場合
• 網絡應用的瓶頸何在
• 事件多路分離 vs 一連接一線程 (Event demultiplexing vs One thread per connection)
• 同步I/O vs 異步I/O (Synchronous I/O vs Asynchronous I/O)
• 如何適當地使用多線程
• 什么時候需要多個 事件多路分離線程

9、應用層協議定義與實現

• 為什么要自定義應用層協議
• 定義應用層協議 (以XMMEP協議為例)
• 用C++實現自定義的協議 (以XMMEP協議為例)

注：XMMEP為X-Messenger Message Exchanging Protocol

五、時間安排

課程時間：2天，以每天6小時計，具體安排如下：

• Day1

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  • 1 - POSIX Thread - 多線程
  • 2 - Socket 簡介
  • 3 - TCP Socket
  • 4 - UDP Socket
  • 5 - Socket Options和 IP Options
• Day2

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  • 6 - I/O多路復用：構建反應式(Reactive)網絡應用
  • 7 - 異步I/O：構建前攝式(Proactive)網絡應用
  • 8 - 高性能網絡編程討論
  • 9 - 應用層協議定義與實現
  • 課程回顧與總結

六、課程資源

????? 可獲取的課程資源見： 教學資源 。

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