網路系統程式期中專題：fork-based Client–Server

C 語言實作的多行程 TCP client–server。client 可以向 server 查詢系統資訊（CPU、記憶體、負載、uptime 等），另外支援 echo、time、ping、monitor（即時推送使用率）。

環境準備（WSL Ubuntu）

sudo apt update
sudo apt install -y build-essential tcpdump iproute2

目錄結構

include/netutil.h     共用函式庫標頭：通訊協定、log、I/O、socket/signal 工具
lib/netutil.c         共用函式庫實作 → 編成 build/libnetutil.so
src/server.c          server：accept 迴圈 + 每個連線 fork() 一個 child
src/client.c          client：一般指令、互動模式、異常測試模式
scripts/              並行測試與四個穩健性對照示範
Makefile

建置

make            # 一般版：LOG_DEBUG 完全不會編進程式
make DEBUG=1    # 除錯版：編譯期開啟 DEBUG（加 -g -O0）
make clean

server 和 client 都連結 build/libnetutil.so，可用 ldd build/ns_server 確認。Makefile 設了 rpath=$ORIGIN，所以執行時不用設定 LD_LIBRARY_PATH。

執行

./build/ns_server                       # 預設 port 8888
./build/ns_client sysinfo               # 查詢系統資訊
./build/ns_client echo hello world
./build/ns_client monitor 5             # 每秒推送一次 CPU/記憶體使用率，共 5 次
./build/ns_client                       # 互動模式
./build/ns_client -H 192.168.1.10 time  # 連到別台電腦的 server

通訊協定

每個封包 = 8 bytes 標頭 + payload：magic(2) | type(1) | reserved(1) | length(4)，多位元組欄位一律 network byte order。有長度欄位，接收端才能在 TCP 位元組串流中切出完整訊息。

兩層 debug log

層級	方式	作用
編譯期	make DEBUG=1	決定 LOG_DEBUG(...) 是否被編進程式；沒開時被巨集換成 ((void)0)，零成本
執行期	-v 0~3、環境變數 NETUTIL_LOG_LEVEL、kill -USR1 <server pid>	決定實際印出 ERROR / WARN / INFO / DEBUG 哪些等級

用一般版執行 -v 3 時，程式會提醒要用 make DEBUG=1 重編，才看得到 DEBUG 訊息。

並行測試（10 個以上 client）

./build/ns_server                       # 終端機 1
./scripts/concurrency_test.sh 12 6      # 終端機 2：12 個 client，各保持連線 6 秒

腳本會印出 server 的行程樹（1 個 parent + 12 個 child 同時存在）、child 數量、ESTABLISHED 連線數，最後列出每個 client 分別由哪個 child pid 服務。

穩健性機制與對照示範

server 預設全部開啟，用 -D 可個別關閉做對照。每個示範腳本會分別跑「關閉」和「開啟」兩次（使用 port 9999）。

腳本	異常情境	沒有機制	有機制
demo1_zombie.sh	child 結束後沒人回收	ps 看到一堆 Z <defunct> 殭屍行程	SIGCHLD + waitpid(WNOHANG) 即時回收，log 記錄結束狀態
demo2_idle_timeout.sh	client 連上後什麼都不送	child 永遠卡在 recv()，資源被佔住	SO_RCVTIMEO 逾時，主動通知並斷線
demo3_oversize.sh	宣稱 8192 bytes 的封包，buffer 只有 4096	stack buffer overflow，child 被 stack smashing detected 殺掉（SIGABRT）	驗證 magic 與長度，回覆 bad packet
demo4_sigpipe.sh	client 中途斷線，server 還在寫	child 被 SIGPIPE（signal 13）殺掉	忽略 SIGPIPE、檢查 send() 回傳值，記錄後正常結束

其他機制：同時連線上限（-m，超過回覆 server busy）、accept()/recv()/send() 的 EINTR 處理、部分傳送處理（send_all/recv_all）、fd 用完（EMFILE）時暫停、SO_REUSEADDR、SIGINT/SIGTERM 優雅關閉；client 端有連線重試（指數退避）、回應逾時、忽略 SIGPIPE。

另外可以觀察到 fork 架構本身的隔離性：示範 3、4 裡 child 崩潰，parent 和其他 client 都不受影響。

封包擷取（tcpdump）

sudo tcpdump -i lo -nn -S 'tcp port 8888' -w capture.pcap   # 終端機 A
./build/ns_client ping                                        # 終端機 B
sudo tcpdump -nn -X -r capture.pcap                           # 分析

可以看到：[S]、[S.]、[.] 三向交握；client 送出 8 bytes 的 PING 標頭（4e53 0400 0000 0000）；server 回 25 bytes（8 bytes 標頭 + 17 bytes PONG from pid ...）；[F.] 雙方關閉連線。capture.pcap 也可以複製到 Windows 用 Wireshark 開啟。兩台電腦之間測試時，server 端改用 -i eth0 或直接在 Windows 上用 Wireshark 抓。