课程设计二：用网络与多线程方法解决故障检测问题.doc

网络故障检测心跳检测系统工作任务：在Linux平台下，采用了C/S模式，服务器端充当主控节点，客户端充当外围节点，外围节点先发送TCP报文进行和主控节点建立连接，在建立连接成功后，发送心跳报文，心跳报文则采用UDP格式设计。而后每隔一秒发送一次心跳报文，主控节点根据心跳报文来检测网络连接是否正常。工作原理：在分布式系统中,有成千上万个设备节点通过有线或者无线网络连接。这些节点和网络随时可能发生故障，从而导致部分节点或者网络瘫痪。为了确保整个系统正常工作，主控节点应该能随时知道其他节点当前是否在正常工作。如果用人力去监控，则会造成很大的开销，且节点是否瘫痪有时无法从外表判断。心跳检测系统可以节省人力，根据外围节点定期发送的报文来判断设备和网络是否发生故障。心跳检测技术是分布式嵌入式系统中一种常见的故障检测方法。在心跳检测中，外围节点将周期性向主控节点发送心跳报文。如果过一段时间之后，主控节点没有收到外围节点的心跳报文，则认为此节点或相关网络出现故障，并向管理员报告。它有如下特点：基于C/S模式，主控节点(服务器端)判断外围节点（客户端）是否正常运行，一般采用定时发送简单的心跳报文，如果在指定时间段内未收到对方响应，则判断连接出现故障。用于检测网络的异常断开。发包方可以是客户端也可以是服务器端，看哪边实现方便合理。一般是客户端，服务器也可以定时轮询发心跳下去(本系统采用客户端发报文)。检测方法就是外围节点每隔几分钟发送一个心跳报文给主控节点，服务端收到后回复一个响应报文。如果服务端在规定时间内没有收到客户端信息则视连接断开。网络编程技术基础1、socket编程介绍socket编程有字节流和数据报两种主要类型，分别对应TCP协议和UDP协议。其中字节流socket定义了一种可靠的面向连接的服务，实现了无差错无重复的顺序数据传输。数据报socket定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且无法保证可靠无差错。无连接服务器一般都是面向事务处理的，一个请求一个应答就完成了客户和服务器之间的交互。下面就是本系统所用到的socket编程函数： 创建套接字：int socket( int domain, int type, int protocol ); 应用程序调用socket函数来创建一个能够进行网络通信的套接字。domain：指定应用程序使用的通信协议的协议族，对于TCP/IP协议族，该参数置AF_INET;type：指定要创建的套接字类型，流套接字类型为SOCK_STREAM、数据报套接字类型为SOCK_DGRAM；protocol：指定应用程序所使用的通信协议，一般设置为0。该函数如果调用成功就返回新创建的套接字的描述符，套接字描述符是一个整数类型的值；如果失败就返回-1。 绑定套接字#includeint bind(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);socket:由socket()调用返回的套接字描述符；addreess：结构指针指向了与协议名称和协议相关的信息；address_len：指明了address数据结构的大小。如果调用成功，bind()函数返回0；否则返回-1，并设置错误代码到errno。 等待客户端连接服务器端应用软件通过调用accept()函数将自身阻塞，直至有新的客户端连接。#includeint accept(int socket,struct sockaddr *address,socketlen_t address_len);socket:创建并绑定的套接字;address：返回连接服务器的客户端地址信息；address_len：指明了address数据结构的大小。如果调用成功，则返回非负的连接套接字；否则返回-1，并设置错误代码到errno。 连接服务器客户端通过connect()函数和服务器进行TCP连接。#include int connect(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);socket：创建并绑定套接字；address：指明要连接服务器的ip地址和端口号；address_len:指明了address数据结构的大小。如果调用成功，返回0；否则返回-1，并设置错误代码到errno。 UDP协议的发送数据UDP协议需要通过sendto()函数实现一个数据包的发送，这是因为UDP协议提供的是以数据包为单位的传输，而TCP协议提供的是以字节流为单位的传输。#includessize_t sendto（int socket，const void*message，size_t length，int flags，const struct sockaddr*dest_addr，socklen_t dest_len）；socket：已经创建的套接字；message：指明要发送的数据包的地址；length：数据包大小；flags：设置发送的属性，一般可设置为0；dest_addr：指明目的端的IP地址和端口号；dest_len：指明dest_addr数据结构的大小。如果调用成功，返回实际发送的数据数目；否则返回-1，并设置错误代码到errno。 UDP协议的接收数据UDP协议需要通过recvfrom()函数接收一个数据包。#includessize_t recvfrom（int socket，void* buffer，size_t length，int flags，struct sockaddr* address，socklen_t address_len）；socket：已经创建的套接字；message：指明要接收的数据包的地址；length：数据包大小；flags：设置发送的属性，一般可设置为0；dest_addr：指明目的端的IP地址和端口号；dest_len：指明dest_addr数据结构的大小。如果调用成功，返回实际发送的数据数目；否则返回-1，并设置错误代码到errno。 向一个已连接的套接口发送数据。#include ssize_t send(int socket, const char void* buffer, int length, int flags);socket：一个用于标识已连接套接口的描述字；buffer：包含待发送数据的缓冲区；length：缓冲区中数据的长度；flags：调用执行方式；若无错误发生，send()返回所发送数据的总数；否则的话，返回-1并把错误保存到errno。 从一个已连接的套接口接收数据。#include ssize_t recv( int socket, char * buffer, int length, int flags);socket：一个标识已连接套接口的描述字；buffer：用于接收数据的缓冲区；length：缓冲区长度；flags：指定调用方式；若无错误发生，recv()返回读入的字节数。如果连接已中止，返回0；否则的话，返回-1并把错误保存到errno。 IP地址的转换和获取在上述套接字程序设计中，服务器和客户端的IPV4地址采用了32为无符号整数表示。在用户方面，广泛使用的是十进制字符串表示（例如2）或者主机名称（例如）。Linux操作系统提供了一系列函数实现这几种格式之间的转换。#includein_addr_t inet_addr(char* cp);cp:指向十进制字符串表示的IPV4地址。如果调用成功，返回IPV4地址的32位无符号整数表示；否则返回in_addr_t-l。 gethostbyname（）函数可以实现从主机名称到32位无符号整数表示的转换。#includestruct hostent char *h_name; char *h_aliases; int h_addrtype; int h_length; char *h_addr_list;struct hostent *gethostbyname(const char *name);name:指明了主机名称的字符串。如果调用成功，返回指向hostent的指针；否则返回NULL，并设置错误代码到h_erno。其中hostent中的h_length指明了主机地址的长度，在Ipv4协议下始终为1。H_addr_list指明了主机的所有网络地址。一般情况下，h_addr_list0就表明了此主机Ipv4地址的32位无符号整数表示。 gethostbyaddr()函数可以实现从32为无符号整数到主机名称的转换。#includestruct hostent *gethostbyaddr(const void *addr,socklen_t len,int type);addr:指明了32位无符号整数表示的IPv4地址；len：指明了地址长度；type：在Ipv4协议下，可以设置为AF_INET。如果调用成功，返回指向hostent的指针；否则返回NULL，并设置错误代码到h_errno。 线程创建函数#includeint pthread_create(pthread_t *thread,pthread_ayyr_t *attr,void*(*start_routine)(void *),void *arg)thread:这是一个指向pthread_t类型数据的指针。线程被创建时，这个指针指向的变量中将被写入一个标识符，我们用该标识符来引用线程。attr：这个参数一般用于设置线程的属性，我们一般不需要设置特殊的属性，所以可以简单的设置该参数为NULL。start_routine ：这个参数告诉线程将要启动的函数。arg：这个参数将传递启动函数的参数 。2、TCP开发介绍在基于TCP协议的程序设计中一般采用客户端/服务器的程序设计模式。在服务器端首先使用socket()函数创建套接字，然后使用bind()函数将本机IP地址和服务端口绑定至套接字，并通过listen()函数建立等待队列，随后就可以使用accept()函数等待客户端的连接。accept()函数将一直阻塞，直至有一个客户端连接到本地服务器端口为止。该函数将返回一个新的套接字值，随后服务器就可以通过新的套接字接口与连接上的客户端利用rend()或write()函数进行交互。客户端在访问服务器时首先要通过socket()函数调用，然后通过connect()函数连接服务器的IP地址和相应的服务器端口号。连接成功后，就可以通过read()或者write()函数与服务器进行数据交互了。socket():创建套接字bind()：绑定本机地址和端口号listen():设置等待队列accept():等待客户端连接sendto()和recv()与客户端交换数据close()关闭特定客户端套接字socket:创建套接字connect()连接服务器sendto()和recv()与服务器端交换数据close()关闭套接字建立请求3、UDP开发介绍基于UDP协议的应用程序设计比较简单。首先通信双方都要利用socket()函数创建套接字，然后将本机IP地址和端口通过bind()函数与套接字绑定。绑定后，可以直接使用sendto()函数向对方发送消息。使用recvfrom()函数可以接收指定端口的UDP包，并通过返回的address结构获知发送方的IP地址和端口号。心跳检测过程包括以下几个步骤：连接的建立 外围节点启动，将首先与事先约定的主控节点IP地址建立TCP连接，并向主控节点注册该外围节点的设备号信息。主控节点在接收到外围节点的注册报文后，将回送许可报文。外围节点在接收到许可报文后，将进入心跳检测状态。如果外围节点在5秒内没有连接到主控节点，或者发出注册报文后5秒内没有收到主控节点的许可报文，则睡眠10秒钟后重新与主控节点进行连接。心跳检测 外围节点每隔1秒向主控节点发送一次心跳报文。主控节点每隔1秒查询各个节点的心跳报文，如果在1秒内没有收到外围节点的心跳报文，则显示相应外围节点的网络连接出现问题。设计主控节点和外围节点之间有三种报文：从外围节点到主控节点的登录报文(login),从主控节点到外围节点的响应报文(respond)，以及从外围节点到主控节点的