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linux網絡配置命令有哪些 linux網絡配置命令實驗報告

小知識



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linux網絡配置命令有哪些 linux網絡配置命令實驗報告

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I/O（ INPUT OUTPUT），包括文件I/O、網絡I/O 。
計算機世界里的速度鄙視：
內存讀數據：納秒級別 。千兆網卡讀數據：微妙級別 。1微秒=1000納秒，網卡比內存慢了千倍 。磁盤讀數據：毫秒級別 。1毫秒=10萬納秒，硬盤比內存慢了10萬倍 。CPU一個時鐘周期1納秒上下，內存算是比較接近CPU的，其他都等不起 。
CPU 處理數據的速度遠大于I/O準備數據的速度。
任何編程語言都會遇到這種CPU處理速度和I/O速度不匹配的問題!
在網絡編程中如何進行網絡I/O優化：怎么高效地利用CPU進行網絡數據處理？？？
一、相關概念
從操作系統層面怎么理解網絡I/O呢？計算機的世界有一套自己定義的概念 。如果不明白這些概念，就無法真正明白技術的設計思路和本質 。所以在我看來，這些概念是了解技術和計算機世界的基礎 。
1.1 同步與異步，阻塞與非阻塞
理解網絡I/O避不開的話題：同步與異步，阻塞與非阻塞 。
拿山治燒水舉例來說，(山治的行為好比用戶程序，燒水好比內核提供的系統調用)，這兩組概念翻譯成大白話可以這么理解 。
同步/異步關注的是水燒開之后需不需要我來處理 。阻塞/非阻塞關注的是在水燒開的這段時間是不是干了其他事 。1.1.1 同步阻塞
點火后，傻等，不等到水開堅決不干任何事（阻塞），水開了關火（同步） 。
1.1.2 同步非阻塞
點火后，去看電視（非阻塞），時不時看水開了沒有，水開后關火（同步） 。
1.1.3 異步阻塞
按下開關后，傻等水開（阻塞），水開后自動斷電（異步） 。
網絡編程中不存在的模型 。
1.1.4 異步非阻塞
按下開關后，該干嘛干嘛 （非阻塞），水開后自動斷電（異步） 。
1.2 內核空間 、用戶空間
內核負責網絡和文件數據的讀寫 。用戶程序通過系統調用獲得網絡和文件的數據 。1.2.1 內核態 用戶態
程序為讀寫數據不得不發生系統調用 。通過系統調用接口，線程從用戶態切換到內核態，內核讀寫數據后，再切換回來 。進程或線程的不同空間狀態 。1.2.2 線程的切換
用戶態和內核態的切換耗時，費資源（內存、CPU）
優化建議：
更少的切換 。共享空間 。1.3 套接字 – socket
有了套接字，才可以進行網絡編程 。應用程序通過系統調用socket(),建立連接，接收和發送數據（I / O） 。SOCKET 支持了非阻塞，應用程序才能非阻塞調用，支持了異步，應用程序才能異步調用1.4 文件描述符 –FD 句柄
網絡編程都需要知道FD？？？ FD是個什么鬼？？？
Linux：萬物都是文件，FD就是文件的引用 。像不像JAVA中萬物都是對象?程序中操作的是對象的引用 。JAVA中創建對象的個數有內存的限制，同樣FD的個數也是有限制的 。
Linux在處理文件和網絡連接時，都需要打開和關閉FD 。
每個進程都會有默認的FD：
0 標準輸入 stdin1 標準輸出 stdout2 錯誤輸出 stderr1.5 服務端處理網絡請求的過程
連接建立后 。等待數據準備好（CPU 閑置） 。將數據從內核拷貝到進程中（CPU閑置） 。
怎么優化呢？
對于一次I/O訪問（以read舉例），數據會先被拷貝到操作系統內核的緩沖區，然后才會從操作系統內核的緩沖區拷貝到應用程序的地址空間 。
所以說，當一個read操作發生時，它會經歷兩個階段：
等待數據準備 (Waiting for the data to be ready) 。將數據從內核拷貝到進程中 (Copying the data from the kernel to the process) 。
正是因為這兩個階段，Linux系統升級迭代中出現了下面三種網絡模式的解決方案 。
二、IO模型介紹2.1 阻塞 I/O – Blocking I/O
簡介：最原始的網絡I/O模型 。進程會一直阻塞，直到數據拷貝完成 。
缺點：高并發時，服務端與客戶端對等連接，線程多帶來的問題：
CPU資源浪費，上下文切換 。內存成本幾何上升，JVM一個線程的成本約1MB 。
public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket ss = new ServerSocket();ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));int idx =0;while (true) {final Socket socket = ss.accept();//阻塞方法new Thread(() -> {handle(socket);},"線程["+idx+"]" ).start();}}static void handle(Socket socket) {byte[] bytes = new byte[1024];try {String serverMsg = "server sss[ 線程："+ Thread.currentThread().getName() +"]";socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法socket.getOutputStream().flush();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}2.2 非阻塞 I/O – Non Blocking IO
簡介：進程反復系統調用，并馬上返回結果 。
缺點：當進程有1000fds,代表用戶進程輪詢發生系統調用1000次kernel，來回的用戶態和內核態的切換，成本幾何上升 。
public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open();ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));System.out.println(" NIO server started ... ");ss.configureBlocking(false);int idx =0;while (true) {final SocketChannel socket = ss.accept();//阻塞方法new Thread(() -> {handle(socket);},"線程["+idx+"]" ).start();}}static void handle(SocketChannel socket) {try {socket.configureBlocking(false);ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);socket.read(byteBuffer);byteBuffer.flip();System.out.println("請求：" + new String(byteBuffer.array()));String resp = "服務器響應";byteBuffer.get(resp.getBytes());socket.write(byteBuffer);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}2.3 I/O 多路復用 – IO multiplexing
簡介：單個線程就可以同時處理多個網絡連接 。內核負責輪詢所有socket，當某個socket有數據到達了，就通知用戶進程 。多路復用在Linux內核代碼迭代過程中依次支持了三種調用，即SELECT、POLL、EPOLL三種多路復用的網絡I/O模型 。下文將畫圖結合Java代碼解釋 。
2.3.1 I/O 多路復用- select
簡介：有連接請求抵達了再檢查處理 。
缺點：
句柄上限- 默認打開的FD有限制,1024個 。重復初始化-每次調用 select()，需要把 fd 集合從用戶態拷貝到內核態，內核進行遍歷 。逐個排查所有FD狀態效率不高 。
服務端的select 就像一塊布滿插口的插排，client端的連接連上其中一個插口，建立了一個通道，然后再在通道依次注冊讀寫事件 。一個就緒、讀或寫事件處理時一定記得刪除，要不下次還能處理 。
public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocketssc.socket().bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));ssc.configureBlocking(false);//設置非阻塞System.out.println(" NIO single server started, listening on :" + ssc.getLocalAddress());Selector selector = Selector.open();ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上，注冊關心的事件 就緒while(true) {selector.select();Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();while(it.hasNext()) {SelectionKey key = it.next();it.remove();//處理的事件，必須刪除handle(key);}}}private static void handle(SelectionKey key) throws IOException {if(key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel sc = ssc.accept();sc.configureBlocking(false);//設置非阻塞sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上，注冊關心的事件 可讀} else if (key.isReadable()) { //flipSocketChannel sc = null;sc = (SocketChannel)key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);buffer.clear();int len = sc.read(buffer);if(len != -1) {System.out.println("[" +Thread.currentThread().getName()+"] recv :"+ new String(buffer.array(), 0, len));}ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());sc.write(bufferToWrite);}}2.3.2 I/O 多路復用 – poll
簡介：設計新的數據結構(鏈表)提供使用效率 。
poll和select相比在本質上變化不大，只是poll沒有了select方式的最大文件描述符數量的限制 。
缺點：逐個排查所有FD狀態效率不高 。
2.3.3 I/O 多路復用- epoll
簡介：沒有fd個數限制，用戶態拷貝到內核態只需要一次，使用事件通知機制來觸發 。通過epoll_ctl注冊fd，一旦fd就緒就會通過callback回調機制來激活對應fd，進行相關的I/O操作 。
缺點：
跨平臺，Linux 支持最好 。底層實現復雜 。同步 。
public static void main(String[] args) throws Exception {final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {@Overridepublic void completed(final AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {serverChannel.accept(null, this);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {attachment.flip();client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//業務邏輯}@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {System.out.println(exc.getMessage());//失敗處理}});}@Overridepublic void failed(Throwable exc, Object attachment) {exc.printStackTrace();//失敗處理}});while (true) {//不while true main方法一瞬間結束}}當然上面的缺點相比較它優點都可以忽略 。JDK提供了異步方式實現，但在實際的Linux環境中底層還是epoll，只不過多了一層循環，不算真正的異步非阻塞 。而且就像上圖中代碼調用，處理網絡連接的代碼和業務代碼解耦得不夠好 。Netty提供了簡潔、解耦、結構清晰的API 。
public static void main(String[] args) {new NettyServer().serverStart();System.out.println("Netty server started !");}public void serverStart() {EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();b.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {ch.pipeline().addLast(new Handler());}});try {ChannelFuture f = b.localAddress(Constant.HOST, Constant.PORT).bind().sync();f.channel().closeFuture().sync();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {workerGroup.shutdownGracefully();bossGroup.shutdownGracefully();}}}class Handler extends ChannelInboundHandlerAdapter {@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;ctx.writeAndFlush(msg);ctx.close();}@Overridepublic void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {cause.printStackTrace();ctx.close();}}bossGroup 處理網絡請求的大管家（們），網絡連接就緒時，交給workGroup干活的工人（們） 。
三、總結回顧同步/異步，連接建立后，用戶程序讀寫時，如果最終還是需要用戶程序來調用系統read()來讀數據，那就是同步的，反之是異步 。Windows實現了真正的異步，內核代碼甚為復雜，但對用戶程序來說是透明的 。阻塞/非阻塞，連接建立后，用戶程序在等待可讀可寫時，是不是可以干別的事兒 。如果可以就是非阻塞，反之阻塞 。大多數操作系統都支持的 。Redis,Nginx,Netty,Node.js 為什么這么香？
【linux網絡配置命令有哪些 linux網絡配置命令實驗報告】這些技術都是伴隨Linux內核迭代中提供了高效處理網絡請求的系統調用而出現的 。了解計算機底層的知識才能更深刻地理解I/O，知其然，更要知其所以然 。與君共勉！