进程通信与网络协议

一、进程间通信

1、管道：管道是基于文件描述符的半双工的通信方式，数据单向流动，数据读取后会从管道中删除。

A. 无名管道 ​ i. 仅存在于内核空间中，无文件系统入口 ​ i. 仅支持亲缘间进程通信 ​ i. 进程退出后管道会自动释放 ​ i. 通过pipe函数创建，返回读端(fd[0])和写端(fd[1])两个文件描述符 ​ B. 有名管道 ​ i. 有文件系统入口，一旦创建成功会在磁盘创建一个管道文件 ​ i. 支持任意进程间通信 ​ i. 进程退出后，管道文件仍存在，需手动删除 ​ i. 通过mkfifo创建，使用open打开

2、信号：信号属于软件中断机制，用于通知进程发生特定事件，是异步通信机制。

i. 常见使用kill发送信号 ​ i. 使用signal注册信号响应函数 ​ i. 信号响应函数是由内核触发调用 ​ 3、共享内存 ​ i. 通信效率最高的IPC方式，进程直接访问一块内核内存，无需数据拷贝 ​ i. 通常需要信号量来配合使用(也就是需要同步机制) ​ i. 通常应用在高并发、大数据量的进程间通信(比如：数据库、缓存系统) ​ 4、消息队列 ​ i. 属于增强型管道，其每个消息都带有标识符，支持按标识符进行接收 ​ i. 通信效率低于共享内存 ​ i. 通常应用在进程间需按类型传递数据(比如: 日志) ​ 5、信号量：System-V信号量、POSIX信号量 ​ i. 不传递数据，仅用于数据的同步与互斥，本质是内核计算器 ​ i. P操作用于申请资源，V操作用于释放资源 ​ i. 同步：协调进程的执行顺序 ​ i. 互斥：保证临界资源同一时刻仅被一个进程访问 ​ 6、网络通信 ​ i. 可以跨主机、跨网络的通信方式，支持本地和网络进程间通信 ​ i. 通常又称之为套接字，是一个特殊的文件类型 ​ i. 一般分为 IPV4和IPV6 ​

二、Linux系统文件类型

1、普通文件 ​ 2、目录文件 ​ 3、管道文件 ​ 4、链接文件 ​ 5、块设备文件 ​ 6、字符设备文件 ​ 7、套接字文件 ​

三、网络通信核心知识

1、网络通信特性

i. 同一网段内通信需保证IP地址在同一网段（通过子网掩码判断）。 ​ i. 支持跨设备、跨平台通信(比如windows、Linux、手机)。 ​ i. 通信双方需要通过 IP + 端口，唯一标识通信地址。 ​ i. 依赖协议栈完成数据的封装与解封装。

2、网络通信协议：不同设备通信需要遵循统一协议。

协议 协议层 连接性 可靠性 传输速率 IP 网络层 无连接 不可靠 快 TCP 传输层 面向连接 可靠 慢 UDP 传输层 无连接 不可靠 快 ​ IP： 网际协议，其作用是分配目标地址(IP地址)，并通过路由器将数据包从源设备转发到目标设备。 应用场景：所有网络数据传输的基础。 TCP：传输控制协议，其作用是在IP的基础上，提供可靠有序的数据传输。 应用场景：文件传输、HTTP/HTTPS、SSH、FTP UDP：用户数据报协议，其作用是在IP的基础上，提供快速、简单的数据传输。 应用场景：视频通话、游戏、直播

3、网络通信模型

1、七层协议模型(OSI模型) ​ 应用层 领导口述一段话 ​ 表示层 秘书将领导所述内容形成信件 ​ 会话层 将信件放在前台，由前台通知快递员 ​ 传输层 快递员从前台取走信件 ​ 网络层 分拣快递确保后续按地址进行投递 ​ 数据链路层 将快递运送至对应站点 ​ 物理层 将信件送至收件人手中 ​

i. 应用层：提供用户交互接口，定义用户级数据格式。 常见协议：HTTP、HTTPS、FTP、DNS、SMTP(邮件) i. 表示层：数据加密、压缩、格式转换。 常见协议：SSL、JPEG。 i. 会话层：建立、维护、终止进程间会话， 常见协议：RCP。 i. 传输层：端到端通信，通过端口标识进程，提供可靠的或快速的传输 常见协议：TCP、UDP。 i. 网络层：路由转发，通过IP地址定位目标主机。 常见协议：IP、ICMP。 i. 数据链路层：将比特流封装为帧，处理MAC地址、差错检测。 常见协议：以太网协议、ARP、PPP、RARP。 i. 物理层：传输比特流，负责硬件适配。 常见协议：串口协议、网线、光纤。 2、四层协议模型(TCP/IP模型) 应用层 将数据形成信件并放在前台 传输层 快递员从前台取走信件 网络层 分拣快递确保后续按地址进行投递 网络接口层 将快递投诉至收件人手中 ​ i. 应用层：整合了OSI模型中的应用层+表示层+会话层。 i. 网络接口层：整合了OSI模型中的数据链路层+物理层。

4、网络通信理论

(1)、套接字：是特殊的文件描述，是网络通信的端点，不能使用open打开。 ​ (2)、流式套接字：对应TCP，可靠、面向连接、字节流。 ​ (3)、数据报套接字：对应UDP，不可靠、无连接、数据报。 ​ (4)、IP地址：IPV4为32为点分式(192.168.31.248)，IPV6为128位冒号分割式。 ​ (5)、端口号：2字节的短整型(1 ~ 65535), 与IP地址组合唯一标识网络进程。 ​ 通常我们的程序端口号设置为 > 10000, 避免与其余软件冲突。 ​ (6)、字节序： ​ i. 大端序：网络字节序 ​ i. 小端序：主机字节序

5、网络IO模型

(1) 阻塞IO：进程调用相关的IO函数后就会阻塞，直到数据就绪或超时，CPU开销小。 ​ (2) 非阻塞IO：进程调用相关IO函数后立即返回，数据未就绪则返回错误，会轮询检查，CPU开销大。 ​ (3) 信号驱动：注册信号响应函数，数据就绪时内核发送SIGIO信号执行响应函数，CPU开销中等。 ​ (4) 异步IO：进程发起IO请求后继续执行，内核完成数据读写后通知进程，CPU开销小。 ​ (5) 多路复用：单个进程监控多个文件描述符，数据就绪时通知进程处理，CPU开销小。

6、网络超时处理

三种超时处理：(1) 通过socket选项设置; (2) 通过IO多路复用的超时参数设置; (3) 通过特定函数设置。

7、广播与组播

(1) 广播 ​ i. 向同一网段内所有设备发送数据，路由器默认拦截跨网段广播。 ​ i. 无需通知接收方IP，但是占用网段较宽，安全性较低。 ​ i. 仅支持UDP协议。 ​ (2) 组播 ​ i. 向特定组播的组发送数据，仅加入到改组的设备能够接收。 ​ i. 节省宽带，支持跨网段。