《了解IO协议栈》课件

了解IO协议栈本课程将带您深入了解I/O协议栈，涵盖基础概念、设备分类、协议栈结构、常用协议及性能优化实践。从I/O基础到网络协议，从概念到实践，助您掌握I/O系统核心知识。课程目标基础知识了解I/O协议栈的基本概念和分类，掌握同步/异步、阻塞/非阻塞I/O等基础知识。协议栈分析深入理解TCP/IP协议栈的层次结构、功能和工作原理，掌握常用协议如TCP、UDP、HTTP、WebSocket等。性能优化学习I/O多路复用机制、select/poll/epoll函数，掌握优化I/O性能的常用方法和实践技巧。I/O基础概念I/O（Input/Output，输入/输出）是指计算机系统与外部世界之间进行数据交换的过程。I/O操作包括数据的输入和输出，例如从键盘输入数据、将数据写入磁盘等。I/O设备分类输入设备键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。输出设备显示器、打印机、扬声器等。存储设备硬盘、光盘、U盘、固态硬盘等。网络设备网卡、路由器、交换机等。同步和异步I/O同步I/O发起I/O请求后，线程会一直阻塞等待，直到操作完成才返回。例如，使用read()函数读取文件，线程会一直阻塞直到数据读取完成。异步I/O发起I/O请求后，线程不会阻塞等待，而是继续执行其他任务。当操作完成时，系统会通知线程，例如使用异步IO库，线程可以继续执行其他任务。阻塞式和非阻塞式I/O阻塞式I/O当I/O操作无法立即完成时，线程会被阻塞，直到操作完成。例如，使用read()函数读取文件，如果数据没有准备好，线程会被阻塞。非阻塞式I/O发起I/O请求后，即使操作无法立即完成，线程也不会被阻塞。线程可以继续执行其他任务，并定期轮询查看操作是否完成。例如，使用非阻塞IO库，线程可以定期检查操作是否完成。基于文件的I/O基于文件的I/O是指对文件进行读写操作。操作系统提供了一套API，用于打开、读取、写入、关闭文件等操作。例如，在C语言中可以使用fopen()、fread()、fwrite()、fclose()等函数进行文件操作。基于套接字的I/O基于套接字的I/O是指通过网络进行数据传输。套接字是一种抽象的接口，允许应用程序之间进行通信。操作系统提供了一套API，用于创建套接字、绑定地址、监听连接、发送和接收数据等操作。套接字编程基础套接字编程需要了解以下基本概念：地址族、协议类型、套接字类型、绑定、监听、连接、发送和接收数据等。掌握套接字编程的基本概念和API是进行网络编程的基础。TCP/IP协议栈概述TCP/IP协议栈是互联网的核心协议，定义了数据在网络中传输的规则和格式。TCP/IP协议栈包含多个层次，每个层次负责不同的功能，例如网络接口、数据链路、网络层、传输层和应用层等。TCP/IP层次结构1应用层2传输层3网络层4数据链路层5物理层物理层物理层负责数据在物理介质上的传输，例如电缆、光纤等。该层定义了信号编码、传输速率、物理连接等规范，确保数据能够在物理介质上传输。数据链路层数据链路层负责在节点之间进行数据传输，例如将数据帧从一个节点发送到另一个节点。该层定义了数据帧的格式、MAC地址、流量控制、错误检测等机制。网络层网络层负责数据包在网络中的路由，例如将数据包从源节点路由到目标节点。该层定义了IP地址、路由算法、数据包分片、数据包重组等机制。传输层传输层负责为应用程序提供端到端的可靠数据传输服务。该层定义了TCP、UDP等协议，负责流量控制、拥塞控制、数据传输可靠性等功能。应用层应用层是用户直接与网络交互的层级。该层定义了各种应用协议，例如HTTP、FTP、SMTP、DNS等，提供各种网络应用服务，例如网页浏览、文件传输、邮件发送等。以太网协议以太网协议是常用的局域网协议，定义了数据帧的格式、MAC地址、流量控制、错误检测等机制。以太网协议是数据链路层的核心协议。IP协议IP协议是网络层的核心协议，定义了IP地址、数据包分片、数据包重组等机制。IP协议负责数据包在网络中的路由，将数据包从源节点路由到目标节点。TCP协议TCP协议是传输层的核心协议，提供面向连接、可靠的数据传输服务。TCP协议负责流量控制、拥塞控制、数据传输可靠性等功能，确保数据能够可靠地传输到目标节点。UDP协议UDP协议是传输层的一个无连接协议，提供面向无连接、不可靠的数据传输服务。UDP协议不提供流量控制、拥塞控制、数据传输可靠性等功能，适用于对传输速度要求高、对数据可靠性要求低的应用场景。HTTP协议HTTP协议是应用层协议，用于在Web浏览器和Web服务器之间进行通信。HTTP协议使用请求/响应模式，定义了请求和响应的格式，用于实现网页浏览、文件下载、数据上传等功能。WebSocket协议WebSocket协议是应用层协议，提供双向通信通道，允许客户端和服务器之间进行实时通信。WebSocket协议是基于TCP协议的，提供全双工通信模式，可以用于实现实时聊天、游戏等应用。MQTT协议MQTT协议是应用层协议，是一种轻量级的消息协议，适用于物联网应用场景。MQTT协议使用发布/订阅模式，允许设备之间进行消息传递，实现设备之间的通信和数据交互。序列化和反序列化序列化是指将数据结构转换为可传输的格式，例如字符串、字节流等。反序列化是指将序列化后的数据转换为原始数据结构。序列化和反序列化是网络通信中常用的技术，用于将数据在网络上传输。I/O多路复用机制I/O多路复用机制是一种高效的I/O处理方式，允许单个线程同时监听多个I/O事件。当某个I/O事件发生时，系统会通知线程，线程可以及时处理该事件，提高I/O效率。select函数select函数是I/O多路复用机制的一种实现方式，允许线程监听多个文件描述符，当某个描述符上的事件发生时，select函数会返回，线程可以及时处理该事件。poll函数poll函数是I/O多路复用机制的另一种实现方式，与select函数类似，允许线程监听多个文件描述符，但poll函数没有select函数的描述符数量限制。epoll函数epoll函数是Linux系统提供的I/O多路复用机制的高性能实现方式，epoll函数使用基于事件的机制，当某个文件描述符上的事件发生时，epoll函数会立即通知线程，提高I/O效率。I/O性能优化实践I/O性能优化是提高系统性能的关键环节，可以通过多