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《网络编程的基石：深入解析操作系统层面的通信机制》 作者： 行业资深系统架构师 出版社： 尖端技术出版社 出版日期： 2024年春季 页数： 约 950 页 定价： ￥198.00 --- 书籍简介： 在当今高度互联的数字化世界中，无论是构建企业级应用、开发高性能服务器，还是深入理解现代操作系统的工作原理，对底层网络通信机制的掌握都是工程师不可或缺的核心技能。本书《网络编程的基石：深入解析操作系统层面的通信机制》，旨在为读者提供一套全面、深入且实践驱动的知识体系，专注于讲解如何利用操作系统提供的原生API（而非高级框架）来实现可靠、高效的网络数据交换。 本书不涉及任何特定于微软 Windows 平台下的 Win32 API 族系，特别是那些直接针对早期 Windows 操作系统（如 Windows NT, 2000, XP）设计的网络编程接口（如 Winsock 1.1/2.0 在其原生 Win32 环境下的特定实现细节）。相反，我们的焦点将完全置于跨平台、更具通用性和现代性的网络编程范式之上。 第一部分：网络基础与协议栈的重构 本部分将从最基础的层面入手，为后续的实践操作打下坚实的理论基础。我们将花费大量篇幅解析 TCP/IP 协议栈的架构，但视角将着重于类 Unix/Linux 系统环境下的内核实现与用户空间接口。 第 1 章：网络模型与抽象层 深入探讨 OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型的现代诠释。重点分析内核中数据包如何在协议栈中自上而下封装和自下而上解封装的过程。我们将详细对比 Berkeley Sockets 模型（BSD Sockets）的起源及其在现代 POSIX 系统中的演进，强调其作为跨平台抽象层的核心地位。 第 2 章：IP 寻址、路由与 ICMP 详述 IPv4 和 IPv6 的寻址机制，包括子网划分（CIDR）和无类别路由的实际应用。对 ICMP 协议的运作进行细致剖析，并通过实际的系统工具（如 `ping` 和 `traceroute` 的底层逻辑）来展示其在诊断网络问题中的关键作用。 第 3 章：UDP：无连接的效率 讲解 UDP 协议的特性、适用场景以及数据报的结构。通过对用户空间如何调用底层系统调用来发送和接收 UDP 数据包的全过程分析，揭示其在流媒体和 DNS 查询等场景下的性能优势。 第二部分：TCP 核心机制与面向连接的编程 TCP 是现代互联网可靠性的基石。本部分将深入剖析 TCP 的复杂机制，并教授如何精确控制这些机制以优化应用性能。 第 4 章：TCP 协议的可靠性保障 本章是本书的理论核心之一。我们将详细拆解序列号、确认应答（ACK）、超时重传、滑动窗口协议（Sliding Window）的工作原理。重点讨论流量控制（Flow Control）与拥塞控制（Congestion Control）算法（如 Reno, CUBIC）在内核中的实现机制，以及它们如何影响应用程序的发送速率。 第 5 章：标准的 BSD Sockets API 详解 系统性地介绍 POSIX 标准下的 Socket API 函数集：`socket()`, `bind()`, `listen()`, `accept()`, `connect()`, `send()`, `recv()`, `close()` 等。对于服务器端编程，我们将详细区分阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-blocking）模式下的操作语义，并展示如何使用 `fcntl()` 来配置套接字。 第 6 章：TCP 服务器的建立与管理 实践指导如何构建一个健壮的 TCP 服务器。内容涵盖地址信息结构 (`sockaddr_in`/`sockaddr_in6`) 的初始化、端口复用技巧（`SO_REUSEADDR`）、连接的接受循环（The Accept Loop）以及优雅的连接关闭（FIN/ACK 序列）。 第三部分：I/O 多路复用与高性能并发模型 单线程处理多个并发连接是服务器编程的挑战。本部分将彻底解析操作系统提供的 I/O 多路复用机制，这是构建高并发服务器的必备技术。 第 7 章：I/O 多路复用的演进 对比早期的信号驱动 I/O 模型与现代的高效模型。详细讲解 `select()` 和 `poll()` 的工作原理、局限性（如描述符集大小限制、线性扫描开销）。 第 8 章：epoll：Linux 的高效利器 本书将大量篇幅聚焦于 Linux 特有的 `epoll` 机制。深入剖析 `epoll` 的三种事件通知模式（LT - 水平触发与 ET - 边缘触发）的差异。提供详细的代码示例，指导读者如何高效地注册、等待和处理事件，这是实现 C10K 问题的关键技术。 第 9 章：高级并发模型实践 超越简单的事件循环，探讨如何将 I/O 多路复用与多进程（`fork()`）或多线程（`pthread`）结合，构建健壮的并发服务器架构。讨论线程池模型中数据同步（锁、条件变量）在网络编程上下文中的应用与陷阱。 第四部分：传输层之上的应用层协议 掌握了底层套接字操作后，本部分将转向如何设计和实现应用层协议。 第 10 章：构建自定义可靠协议 指导读者设计自己的消息格式，包括实现固定长度报头、长度编码（如变长整数编码）和校验和机制。我们将探讨如何通过在应用层增加自定义的可靠性机制（如应用层 ACK 和重传）来弥补纯 UDP 在某些场景下的不足。 第 11 章：内存效率与零拷贝技术 探讨网络编程中常见的性能瓶颈——数据在内核空间与用户空间之间的不必要拷贝。详细介绍 `sendfile()` 等零拷贝系统调用，并说明它们在高性能文件服务器构建中的实际应用。 第 12 章：网络调试、性能剖析与错误处理 强调在系统编程中，错误处理的精细化。讲解如何使用系统级别的调试工具（如 `strace`、内核日志）来追踪套接字操作的实际行为。介绍如何测量延迟（Latency）和吞吐量（Throughput），并定位内核与用户空间的性能瓶颈。 --- 本书特色： 纯粹的系统级视角： 专注于 C 语言和 POSIX 接口，提供不依赖任何特定厂商或高级框架的通用网络知识。 深度剖析内核交互： 不仅停留在 API 调用层面，更深入探讨系统调用如何与内核网络栈交互。 实践驱动的范例代码： 所有示例代码均采用标准 C 语言编写，清晰展示了高性能服务器的构建蓝图。 目标读者： 熟悉 C 语言，希望深入理解操作系统底层网络服务的软件工程师。 正在开发高性能服务器、网络代理、嵌入式系统网络模块的开发者。 计算机科学专业的学生，希望对网络通信有扎实、不含水分的理解。
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