面试题：网络编程中异步I/O模型在物联网设备通信里如何实现基本连接

Question

在物联网设备通信场景下，简要阐述如何基于异步I/O模型实现设备与服务器之间的基本连接建立过程，说明涉及到的关键函数或方法以及数据结构。

Answer 1

1. 异步I/O模型简介

异步I/O模型允许应用程序在执行I/O操作时，不必等待操作完成，可以继续执行其他任务。当I/O操作完成后，系统会通过回调函数或事件通知应用程序。

2. 设备与服务器连接建立过程

1. 初始化套接字：

   • 在设备端和服务器端都需要创建套接字。在C语言中，可以使用socket函数。

   int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   

   • AF_INET表示使用IPv4地址族，SOCK_STREAM表示使用TCP协议。

2. 绑定地址：

   • 服务器端需要绑定一个特定的地址和端口，以便设备能够连接到它。使用bind函数。

   struct sockaddr_in servaddr;
   servaddr.sin_family = AF_INET;
   servaddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
   servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
   bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
   

   • htons函数将主机字节序转换为网络字节序，INADDR_ANY表示接受任意IP地址的连接。

3. 监听连接：

   • 服务器端调用listen函数开始监听连接请求。

   listen(sockfd, BACKLOG);
   

   • BACKLOG表示等待连接队列的最大长度。

4. 异步连接：

   • 在设备端，使用异步I/O函数（如aio_connect在Linux下）来发起连接请求。
   • 首先创建一个aiocb结构体，用于存储异步I/O操作的控制块。

   struct aiocb my_aiocb;
   memset(&my_aiocb, 0, sizeof(struct aiocb));
   my_aiocb.aio_fildes = sockfd;
   struct sockaddr_in servaddr;
   servaddr.sin_family = AF_INET;
   servaddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
   inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &servaddr.sin_addr);
   my_aiocb.aio_addr = (struct sockaddr *)&servaddr;
   my_aiocb.aio_nbytes = 0;
   

   • 然后调用aio_connect发起异步连接。

   int ret = aio_connect(&my_aiocb);
   

   • 应用程序可以继续执行其他任务，当连接完成时，通过aio_error和aio_return函数获取连接结果。

   while (aio_error(&my_aiocb) == EINPROGRESS);
   int connect_ret = aio_return(&my_aiocb);
   if (connect_ret == 0) {
       // 连接成功
   } else {
       // 连接失败
   }
   

5. 接受连接（服务器端）：

   • 服务器端使用异步接受连接的方式，例如在Linux下可以使用epoll机制结合accept4函数。
   • 首先创建一个epoll实例。

   int epollfd = epoll_create1(0);
   

   • 将监听套接字添加到epoll实例中。

   struct epoll_event ev;
   ev.data.fd = sockfd;
   ev.events = EPOLLIN;
   epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
   

   • 然后在事件循环中处理连接事件。

   struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
   int nfds = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1);
   for (int i = 0; i < nfds; ++i) {
       if (events[i].data.fd == sockfd) {
           int connfd = accept4(sockfd, NULL, NULL, SOCK_NONBLOCK);
           // 处理新连接
       }
   }
   

3. 关键数据结构

1. 套接字地址结构：如struct sockaddr_in，用于存储IP地址和端口信息。
2. 异步I/O控制块：如struct aiocb，用于管理异步I/O操作。
3. epoll事件结构：如struct epoll_event，用于epoll机制中存储事件和对应的文件描述符。