【网络编程】简易的 p2p 模型，实现两台虚拟机之间的简单点对点通信，并以小见大观察 TCP 协议的具体运行

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基本概念

p2p， 一个让所有投资者脊背发凉的金融概念， 一个去中心化的金融概念，其实它的本质只是一个技术。P2P（Peer-to-Peer）是一种去中心化的网络架构模式，中文通常翻译为"点对点"或"对等网络"。它代表了与传统的客户端-服务器（Client-Server）模型完全不同的网络通信理念。

P2P 的核心概念

• 去中心化：
  • 没有中央服务器控制整个网络
  • 所有参与者（节点）地位平等
  • 每个节点既是客户端又是服务器（称为"对等体"）
• 直接通信：
  • 节点之间直接连接和交换数据
  • 不需要通过中间服务器中转
  • 通信路径更短，延迟更低
• 资源共享：
  • 每个节点贡献自己的资源（带宽、存储、计算能力）
  • 资源分布在整个网络中
  • 节点越多，网络整体能力越强

与传统客户端-服务器模型的对比

特性	P2P 网络	客户端-服务器模型
架构	去中心化	中心化
节点角色	既是客户端又是服务器	严格区分客户端和服务器
扩展性	节点越多性能越好	服务器可能成为瓶颈
可靠性	单点故障不影响整个网络	服务器故障导致服务中断
资源分布	资源分散在各个节点	资源集中在服务器

P2P 的典型应用场景

• 文件共享：
  • BitTorrent：用户直接从其他用户下载文件片段
  • 早期Napster：音乐文件共享（混合式P2P）
• 加密货币：
  • 比特币/以太坊：交易验证通过P2P网络完成
  • 区块链技术的基础架构
• 即时通讯：
  • 早期Skype：语音通话直接在对等体间建立
  • 某些隐私通讯应用
• 内容分发：
  • P2P CDN：利用用户设备分发内容
  • 直播平台的P2P加速

我所能设想到的一个应用就是 “智能家具” 的设计，我们用手机与智能家居进行点对点的 P2P 连接，直接下命令，而非绕一大圈地经过中央服务器。这样的设计才是系统开销小，用户体验好。

业务拆解

我们在前面的基本概念介绍里面已经说到过 P2P 网络的各个节点既是客户端又是服务器，本篇文章之中，我们要抓住这一个点设计一个点对点通信的简易代码。至于像加密验证等 “高级玩意”，本篇文章是绝对不会涉及的。

问题来了，我们该怎么设计呢？我们可以尝试一下问自己，到底想要什么功能效果。我问过自己，可以分成两大类——主动类和被动类。

主动类的功能：

1. 用户之间随时发起信息。
2. 用户选择想要连接的对象 IP（可以重置 IP）。
3. 自己是一个客户端，可主动发起并实现与对应 IP 的远程连接。
4. 结束程序。

被动类的功能：

5. 自己本身是服务器，被动监听到来访 IP，并随即分配套接字资源负责对应的 I/O 任务。
6. 自动地接收信息。（这里回想起《角头》中白毛对 “憨春” 说：“憨春大，我 BOSS 找你那么多次，你为什么都已读不回呀？啊？”）

为了简化问题，本篇文章所展示的代码，只实现 “一个设备仅有一个连接，如果想要新的连接就必须删掉旧的连接” 的设计。

对于主动类的功能，我将采用 “用户界面” 式的循环交互设计，类似的代码可见我之前写过的一篇关于 “通讯录小项目” 的文章（原文链接 在此）。

对于被动类的功能，我将采用多线程编程的设计。有两个被动类的功能，那就有两个子线程分别负责。这两个子线程因 “一个设备仅有一个连接，如果想要新的连接就必须删掉旧的连接” 的简化，而使用了 “SELECT” 定时关注连接所对应的套接字是否对接收、读写等事件就绪。select 是一种多路复用（multiplexing）I/O 机制，用于同时监视多个文件描述符（file descriptors），以确定哪些文件描述符已经准备好进行 I/O 操作（如读取、写入或异常条件）。类似的代码可见我之前写过的一篇关于多路 I/O 复用的文章（原文链接 在此）。

为了确保程序能够被正常关闭，所建立套接字都是非阻塞的，即定时执行，重复循环计时。

代码实现

准备工作

准备头文件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>     //  EXIT_FAILURE 是一个标准宏，exit 函数
#include <string.h>
#include <unistd.h>     //  close 函数
#include <pthread.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h> // 添加select用于超时处理
#include <fcntl.h>				// 用于更改套接字的模式，比如非阻塞模式
#include <errno.h>				// 这是全局变量 errno，用于健壮的读取功能

准备宏定义

#define MAX_MSG_LEN 1024
#define PORT 5000

声明与定义全局变量，该全局变量能综合、集成所有的运行参数。我们将之命名为 NodeState

// 全局状态结构体
typedef struct {
   
   
    int server_fd;
    int connection_fd;
    int running;
    pthread_mutex_t lock;
    char peer_ip[16];  // 存储点分十进制IP地址
    int peer_port;
} NodeState;

// 声明并定义全局变量
// 点号（.）在这里是C99标准引入的指定初始化器语法的一部分。它的作用是明确指定结构体成员的初始化值，而不是依赖于成员在结构体中的顺序。
NodeState node_state = {
   
   
    .server_fd = -1,
    .connection_fd = -1,
    .running = 1,
    .lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER,
    .peer_ip = "",
    .peer_port = PORT
};

需要注意到的是，点号（.）在这里是C99标准引入的指定初始化器语法的一部分。它的作用是明确指定结构体成员的初始化值，而不是依赖于成员在结构体中的顺序。

紧接着是错误处理函数，

void error(const char *msg) {
   
   
    perror(msg);
    exit(EXIT_FAILURE);     //  EXIT_FAILURE 是一个标准宏，定义在 <stdlib.h> 中，用于表示程序执行失败。
    // 当 exit 函数被调用时，程序会执行以下操作：
    // 关闭所有打开的文件：关闭所有通过标准 I/O 函数（如 fopen）打开的文件流。
    // 刷新缓冲区：刷新所有标准 I/O 缓冲区，确保所有未写入的数据都被写入目标文件或设备。
    // 调用清理函数：执行所有通过 atexit 注册的清理函数（如果有）。
    // 终止程序：终止程序的执行，并将 status 参数作为退出状态码返回给操作系统。
}

当我们结束程序的时候，需要定义清理资源函数

// 清理资源
void cleanup() {
   
   
    pthread_mutex_lock(&node_state.lock);
    if (node_state.connection_fd != -1) {
   
   
        close(node_state.connection_fd);
        node_state.connection_fd = -1;  //  重置
    }
    if (node_state.server_fd != -1) {
   
   
        close(node_state.server_fd);
        node_state.server_fd = -1;  //  重置
    }
    pthread_mutex_unlock(&node_state.lock);
    printf("[*] Resources cleaned up\n");

    return;
}

为了能让程序正常结束，而非让套接字对应的 accept 和 recv 函数在用户选择退出的时候，一直处于阻塞各自的线程之中，故而我们定义了套接字设置函数

// 设置套接字为非阻塞
void set_nonblocking(int sockfd) {
   
   
    int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
    if (flags == -1) {
   
   
        perror("fcntl F_GETFL");
        return;
    }
    if (fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) == -1