Linux网络编程 - 检查数据的有效性

在前面，我们仔细分析了引起故障的原因，并且已经知道为了应对可能出现的各种故障，必须在程序中做好防御工作。

对端的异常情况

int n = read(connfd, buf, 1024);
if(n < 0){
    printf("error read\n");
}
else if(n == 0){
    printf("client closed\n");
}

可以看到这一个程序中的第 5 行，当调用 read 函数返回 0 字节时，实际上就是操作系统内核返回 EOF 的一种反映。如果是服务器端同时处理多个客户端连接，一般这里会调用 shutdown 关闭连接的这一端。

上一讲也讲到了，不是每种情况都可以通过读操作来感知异常，比如，服务器完全崩溃，或者网络中断的情况下，此时，如果是阻塞套接字，会一直阻塞在 read 等调用上，不会直接去感知套接字的异常。也有几种办法来解决这个问题：

第一个办法是给套接字的 read 操作设置超时，如果超过了一段时间就认为连接已经不存在。

struct timeval tv;
tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;
setsockopt(connfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (const char *) &tv, sizeof tv);

while (1) {
    int nBytes = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (nBytes == -1) {
        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
            printf("read timeout\n");
            onClientTimeout(connfd);
        } else {
            printf("error read message\n");
        }
    } else if (nBytes == 0) {
        printf("client closed \n");
    }
    ...
}

调用 setsockopt 函数，设置了套接字的读操作超时，超时时间为前面设置的 5 秒，当然在这里这个时间值是“拍脑袋”设置的，比较科学的设置方法是通过一定的统计之后得到一个比较合理的值。关键之处在读操作返回异常的行，根据出错信息是EAGAIN或者EWOULDBLOCK，判断出超时，转而调用onClientTimeout函数来进行处理。

这个处理方式虽然比较简单，却很实用，很多 FTP 服务器端就是这么设计的。连接这种 FTP 服务器之后，如果 FTP 的客户端没有续传的功能，在碰到网络故障或服务器崩溃时就会挂断。

第二个办法是，添加对连接是否正常的检测。如果连接不正常，需要从当前 read 阻塞中返回并处理。

第三个办法是，前面也提到过，那就是利用多路复用技术自带的超时能力，来完成对套接字 I/O 的检查，如果超过了预设的时间，就进入异常处理。

struct timeval tv;
tv.tv_sec = 5;
tv.tv_usec = 0;

FD_ZERO(&allreads);
FD_SET(socket_fd, &allreads);
for (;;) {
    readmask = allreads;
    int rc = select(socket_fd + 1, &readmask, NULL, NULL, &tv);
    if (rc < 0) {
      printf("select failed\n");
    }
    if (rc == 0) {
      printf("read timeout\n");
      onClientTimeout(socket_fd);
    }
 ...   
}

这段代码使用了 select 多路复用技术来对套接字进行 I/O 事件的轮询，程序的 13 行是到达超时后的处理逻辑，调用onClientTimeout函数来进行超时后的处理。

缓冲区处理

一个设计良好的网络程序，应该可以在随机输入的情况下表现稳定。随着互联网的发展，网络安全也愈发重要，我们编写的网络程序能不能在黑客的刻意攻击之下表现稳定，也是一个重要考量因素。很多黑客程序，会针对性地构建出一定格式的网络协议包，导致网络程序产生诸如缓冲区溢出、指针异常的后果，影响程序的服务能力，严重的甚至可以夺取服务器端的控制权，随心所欲地进行破坏活动，比如著名的 SQL 注入，就是通过针对性地构造出 SQL 语句，完成对数据库敏感信息的窃取。所以，在网络程序的编写过程中，我们需要时时刻刻提醒自己面对的是各种复杂异常的场景，甚至是别有用心的攻击者，保持“防人之心不可无”的警惕。

那么程序都有可能出现哪几种漏洞呢？

第一个例子：

char Response[] = "COMMAND OK";
char buffer[128];

while (1) {
    int nBytes = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (nBytes == -1) {
        printf("error read message\n");
        continue;
    } else if (nBytes == 0) {
        printf("client closed \n");
        continue;
    }
    buffer[nBytes] = '\0';
    if (strcmp(buffer, "quit") == 0) {
        printf("client quit\n");
        send(socket, Response, sizeof(Response), 0);
    }
    printf("received %d bytes: %s\n", nBytes, buffer);
}

这段代码从连接套接字中获取字节流，并且判断了出错和 EOF 情况，如果对端发送来的字符是“quit”就回应“COMAAND OK”的字符流，乍看上去一切正常。

但这段代码很有可能会产生下面的结果。

char buffer[128];
buffer[128] = '\0';

通过 recv 读取的字符数为 128 时，就会是文稿中的结果。因为 buffer 的大小只有 128 字节，最后的赋值环节，产生了缓冲区溢出的问题。

所谓缓冲区溢出，是指计算机程序中出现的一种内存违规操作。本质是计算机程序向缓冲区填充的数据，超出了原本缓冲区设置的大小限制，导致了数据覆盖了内存栈空间的其他合法数据。这种覆盖破坏了原来程序的完整性，使用过游戏修改器的同学肯定知道，如果不小心修改错游戏数据的内存空间，很可能导致应用程序产生如“Access violation”的错误，导致应用程序崩溃。

我们可以对这个程序稍加修改，主要的想法是留下 buffer 里的一个字节，以容纳后面的'\0'。

int nBytes = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0);

这个例子里面，还昭示了一个有趣的现象。你会发现我们发送过去的字符串，调用的是sizeof，那也就意味着，Response 字符串中的'\0'是被发送出去的，而我们在接收字符时，则假设没有'\0'字符的存在。为了统一，我们可以改成如下的方式，使用 strlen 的方式忽略最后一个'\0'字符。

send(socket, Response, strlen(Response), 0);

第二个例子：

前面提到了对变长报文解析的两种手段，一个是使用特殊的边界符号，例如 HTTP 使用的回车换行符；另一个是将报文信息的长度编码进入消息。在实战中，我们也需要对这部分报文长度保持警惕。

size_t read_message(int fd, char *buffer, size_t length) {
    u_int32_t msg_length;
    u_int32_t msg_type;
    int rc;

    rc = readn(fd, (char *) &msg_length, sizeof(u_int32_t));
    if (rc != sizeof(u_int32_t))
        return rc < 0 ? -1 : 0;
    msg_length = ntohl(msg_length);

    rc = readn(fd, (char *) &msg_type, sizeof(msg_type));
    if (rc != sizeof(u_int32_t))
        return rc < 0 ? -1 : 0;

    if (msg_length > length) {
        return -1;
    }

    /* Retrieve the record itself */
    rc = readn(fd, buffer, msg_length);
    if (rc != msg_length)
        return rc < 0 ? -1 : 0;
    return rc;
}

在进行报文解析时，第 15 行对实际的报文长度msg_length和应用程序分配的缓冲区大小进行了比较，如果报文长度过大，导致缓冲区容纳不下，直接返回 -1 表示出错。千万不要小看这部分的判断，试想如果没有这个判断，对方程序发送出来的消息体，可能构建出一个非常大的msg_length，而实际发送的报文本体长度却没有这么大，这样后面的读取操作就不会成功，如果应用程序实际缓冲区大小比msg_length小，也产生了缓冲区溢出的问题。

struct {
    u_int32_t message_length;
    u_int32_t message_type;
    char data[128];
} message;

int n = 65535;
message.message_length = htonl(n);
message.message_type = 1;
char buf[128] = "just for fun\0";
strncpy(message.data, buf, strlen(buf));
if (send(socket_fd, (char *) &message,
         sizeof(message.message_length) + sizeof(message.message_type) + strlen(message.data), 0) < 0)
    printf("send failure\n");

文稿里就是这样一段发送端“不小心”构造的一个程序，消息的长度“不小心”被设置为 65535 长度，实际发送的报文数据为“just for fun”。在去掉实际的报文长度msg_length和应用程序分配的缓冲区大小做比较之后，服务器端一直阻塞在 read 调用上，这是因为服务器端误认为需要接收 65535 大小的字节。

第三个例子：

如果我们需要开发一个函数，这个函数假设报文的分界符是换行符（\n），一个简单的想法是每次读取一个字符，判断这个字符是不是换行符。

文稿中给出了这样的一个函数，这个函数的最大问题是工作效率太低，要知道每次调用 recv 函数都是一次系统调用，需要从用户空间切换到内核空间，上下文切换的开销对于高性能来说最好是能省则省。

size_t readline(int fd, char *buffer, size_t length) 
{
    char *buf_first = buffer;
    char c;
    while (length > 0 && recv(fd, &c, 1, 0) == 1) {
        *buffer++ = c;
        length--;
        if (c == '\n') {
            *buffer = '\0';
            return buffer - buf_first;
        }
    }
    return -1;
}

于是，就有了文稿中的第二个版本，这个函数一次性读取最多 512 字节到临时缓冲区，之后将临时缓冲区的字符一个一个拷贝到应用程序最终的缓冲区中，这样的做法明显效率会高很多。

size_t readline(int fd, char *buffer, size_t length) {
    char *buf_first = buffer;
    static char *buffer_pointer;
    int nleft = 0;
    static char read_buffer[512];
    char c;

    while (length-- > 0) {   //通过对 length 变量的判断，试图解决缓冲区长度溢出问题
        if (nleft <= 0) {    //判断临时缓冲区的字符有没有被全部拷贝完，如果被全部拷贝完，就会再次尝试读取最多 512 字节
            int nread = recv(fd, read_buffer, sizeof(read_buffer), 0);
            if (nread < 0) {
                if (errno == EINTR) {
                    length++;
                    continue;
                }
                return -1;
            }
            if (nread == 0)
                return 0;
            buffer_pointer = read_buffer;  //在读取字符成功之后，重置了临时缓冲区读指针、临时缓冲区待读的字符个数
            nleft = nread;
        }
        /*拷贝临时缓冲区字符，每次拷贝一个字符，并移动临时缓冲区读指针，对临时缓冲区待读的字符个            
         数进行减 1 操作*/
        c = *buffer_pointer++;
        *buffer++ = c;
        nleft--;
        /*判断是否读到换行符，如果读到则将应用程序最终缓冲区截断，返回最终读取的字符个数*/
        if (c == '\n') {
            *buffer = '\0';
            return buffer - buf_first;
        }
    }
    return -1;
}

这个程序运行起来可能很久都没有问题，但是，它还是有一个微小的瑕疵，这个瑕疵很可能会造成线上故障。为了讲请这个故障，我们假设这样调用， 输入的字符为012345678\n。

//输入字符为: 012345678\n
char buf[10]
readline(fd, buf, 10)

当读到最后一个\n 字符时，length 为 1，如果读到了换行符，就会增加一个字符串截止符，这显然越过了应用程序缓冲区的大小。正确的程序我也附在了文稿中，这里最关键的是需要先对 length 进行处理，再去判断 length 的大小是否可以容纳下字符。

size_t readline(int fd, char *buffer, size_t length) {
    char *buf_first = buffer;
    static char *buffer_pointer;
    int nleft = 0;
    static char read_buffer[512];
    char c;

    while (--length> 0) {
        if (nleft <= 0) {
            int nread = recv(fd, read_buffer, sizeof(read_buffer), 0);
            if (nread < 0) {
                if (errno == EINTR) {
                    length++;
                    continue;
                }
                return -1;
            }
            if (nread == 0)
                return 0;
            buffer_pointer = read_buffer;
            nleft = nread;
        }
        c = *buffer_pointer++;
        *buffer++ = c;
        nleft--;
        if (c == '\n') {
            *buffer = '\0';
            return buffer - buf_first;
        }
    }
    return -1;
}

综上，我们一定要时刻提醒自己做好应对各种复杂情况的准备，这里的异常情况包括缓冲区溢出、指针错误、连接超时检测等。

温故而知新 ！