网络编程之理论篇

网络通信作为互联网的技术支持，已被广泛应用在软件开发中，无论是Web，服务端，客户端还是桌面应用，都是必须掌握的一门技术。

什么是网络编程？

在软件开发层面实现远程数据交换的编程技术。

网络编程的主要场景

• 基于Http/Https的web，移动端的开发；
• 基于TCP/UDP的IM，桌面应用的开发；
• 自定义协议的开发。

要熟悉网络编程，首先需要学习网络协议的相关知识。

网络协议

什么网络协议呢？网络协议是为网络中进行数据交换定义的规则，以实现按此规范进行传输数据，就可在整个互联网中进行数据交换的目标。所以说网络协议是网络通信的基础。

网络协议中其中最著名就是TCP/IP协议族。TCP/IP协议族通常被认为是一个四层的协议系统。从上到下依次为：

• 应用层：包括所有和应用程序协同工作，利用基础网络交换应用程序专用的数据协议，如Telnet, FTP, Http等；
• 运输层：负责为应用层提供端到端的通信支持，包含TCP和UDP协议；
• 网络层：负责数据包在网络中的传输，包含IP， ICMP和IGMP协议；
• 链路层：用以处理与物理设备的交互细节，对应于操作系统中的设备驱动程序；

从TCP/IP协议族各层次的职责来看，网路数据的传递是从上到下依次传递。以Http协议为为例，具体的数据传输过程如图所示:

当然，这只是数据的流向，实际上网络数据在传输过程中需要封装与分解，具体的过程如图所示（图片来源于百度图片）：

简单来说，数据从本机上传到网络之前，会在TCP/IP协议族的每一层添加协议首部，到达目标主机后，目标主机再进行分解，从而获取需要的数据。

在众多的网络协议中，使用最广泛的应该就是TCP协议（传输控制协议）了，它是一种面向连接，可靠的，基于字节流的传输层协议。其运行过程分为三个阶段：建立连接、交换数据、断开连接。

TCP连接的建立与终止

在使用TCP协议交换数据前，需先建立一条连接，在不需要发送数据的时候，需要断开连接，以释放资源。

建立连接

TCP协议建立连接时需要三次握手，其过程可使用以下场景来描述：

面试官：说一下TCP建立连接时三次握手的过程。
小明： 三次握手？
面试官： 嗯。
小明：握手完成了。
面试官：what?

没错，从小明开始问三次握手到说握手完成就是三次握手的过程，具体的过程如下：

1. 客户端发向服务端发送一个SYN段，以告知客户端要连接服务端的指定端口；
2. 服务端收到客户端的报文后，返回一个对客户端报文进行确认的ack段（SYN+1）和一个表示服务端报文的SYN段；
3. 客户端收到服务端发送的报文后，对服务端发送一个ack（服务端的SYN+1），至此，客户端和服务端就建立了一条连接。

为什么需要3次握手而不是2次呢？

因为客户端收到服务端的应答后，知道连接已建立成功，但是服务端并不知道自己发送的确认报文客户端是否收到，
所以需要客户端对服务端的报文进行确认。

服务端一定能收到客户端发送的确认报文么？

不一定，如果收不到，那么连接就不会建立，所以，3次握手只是理论上确保建立连接的次数。那能否通过4次握手呢？
不行，再握下去就是鸡生蛋，蛋生鸡的问题了。

断开连接

TCP断开连接时需要四次握手，为什么需要4次呢？这是由于TCP半关闭的性质造成的。所谓半关闭，就是可以发送数据，却不能接收数据或只能接收数据，不能发送数据。

四次握手的过程：（由于主动断开连接可发送在客户端，也可发送在服务端，所以下面以A，B来区分两端）

1. A端向B端发送一个FIN, 告知A端即将断开连接；
2. B端收到A端发送的FIN后发送一个ack对其进行确认;
3. 随后B端向再A端发送一个FIN，以告知B端也即将断开连接；
4. A端时候到B端的FIN报文后，对其发送一个ack以示确认。

B端在对A端进行确认的时候为什么不同时发一个FIN呢？
可以同时发。分开发是为了考虑B端在对A端确认后，可能还会给A继续发送数据的情况。

TCP的状态变迁过程

下面以一张图来描述TCP的状态变迁过程(图片来自百度图片)

图片中的所有状态对应于TCP的建立和连接过程，下面简单介绍一下这几种状态：

LISTEN: 服务端状态，表示服务端正在等待客户端的连接请求，处于监听状态；

SYN收到：服务端状态，服务端已收到客户端的连接请求，并对客户端的请求发送了ACK确认（第二次握手完成）；

SYN_SENT: 客户端状态，客户端发送SYN或数据后的状态（第一次握手完成）；

ESTABLISHED: 客户端对服务端的SYN进行确认后处于ESTABLISHED，服务端收到客户端发送的ACK后也会处于
             ESTABLISHED状态（三次握手完成后的状态）；

FIN_WAIT_1: 主动关闭的一端的状态，发送FIN后的状态（断开连接时的第一次握手完成）；

FIN_WAIT_2: 主动关闭的一端的状态，收到另一端的ACK确认后的状态（断开连接时的第二次握手完成）；

CLOSING：主动关闭的一端的状态，收到另一端的FIN，并对其进行确认后的状态（客户端和服务端同时关闭的情况）；

TIME_WAIT: 主动关闭的一端的状态，，收到另一端的FIN或（FIN和ACK）后，对其进行确认后的状态
          （断开连接时最后一次握手完成）；

CLOSE_WAIT: 被动关闭的一端的状态，收到另一端发送的FIN并对其进行确认后的状态（断开连接时第二次握手完成）；

LAST_ACK: 被动关闭的一端的状态，发送FIN后的状态（断开连接时第三次握手完成）；

CLOSED：连接彻底断开；

TCP/IP协议族诞生之后，各个平台（Window, Unix）就按照此协议规范在系统层面为开发网络程序提供了统一的接口——Socket。通过这个面向传输层协议的系统接口，我们可通过TCP/UDP协议快速实现网络数据的交换，同时也可用来实现应用层协议，如HTTP， SSL等。

Socket（套接字）

Socket是操作系统为上层应用实现网络数据交换提供的接口，我们可通过以下场景来理解：

当你给别人打电话的时候首先要确认打给谁，其次确认打哪个号码，通过这两个条件就可准确的联系到对方。那么在网络中传输数据也是同样的道理，在网络中定位主机是通过IP来实现的，一个IP代表了一台主机，但是每台主机有很多个端口号，所以要准确地与某个应用进行数据交换，除了IP地址外，还需要一个端口号。有了这两个条件，就可通过Socket实现数据交换。由此可见，Socket其实就相当于一部手机，两部手机之间建立一条通路即可实现通话。

Socket编程的步骤

客户端

1. 创建scoket;
2. 连接服务器；
3. 发送、接收数据；
4. 关闭socket连接

代码实现（Linux C编程）：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd = 0, n = 0;
    char recvBuff[1024];
    struct sockaddr_in serv_addr; 

    if(argc != 2)
    {
        printf("n Usage: %s  n",argv[0]);
        return 1;
    } 

    memset(recvBuff, '0',sizeof(recvBuff));
    // 创建socket
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        printf("n Error : Could not create socket n");
        return 1;
    } 

    // 设置IP和端口
    memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr)); 
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(5000); 

    if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &serv_addr.sin_addr)<=0)
    {
        printf("n inet_pton error occuredn");
        return 1;
    } 
    // 连接到指定的IP和端口 -> 连接成功后即三次握手完成
    if( connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
    {
       printf("n Error : Connect Failed n");
       return 1;
    } 
    // 读数据
    while ( (n = read(sockfd, recvBuff, sizeof(recvBuff)-1)) > 0)
    {
        recvBuff[n] = 0;
        if(fputs(recvBuff, stdout) == EOF)
        {
            printf("n Error : Fputs errorn");
        }
    } 

    if(n < 0)
    {
        printf("n Read error n");
    } 
    close(scokfd);

    return 0;
}

服务端

1. 创建socket;
2. 绑定IP和端口；
3. 监听客户端的连接；
4. 接收客户端的连接；
5. 发送、接收数据
6. 关闭socket连接；

代码实现：（Linux C编程）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  

int main(int argc, char *argv[])
{
    int listenfd = 0, connfd = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr; 

    char sendBuff[1025];
    time_t ticks; 

    // 创建socket
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr));
    memset(sendBuff, '0', sizeof(sendBuff)); 

    // 绑定IP地址和端口
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(5000); 
    bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)); 

    // 监听客户端口的连接请求 -> 对应于状态图中的LISTEN状态
    listen(listenfd, 10); 
    while(1)
    {
        // 接收客户端的请求 -> 与客户端三次握手完成
        connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL); 
        ticks = time(NULL);
        snprintf(sendBuff, sizeof(sendBuff), "%.24srn", ctime(&ticks));

        // 向客户端发送数据
        write(connfd, sendBuff, strlen(sendBuff)); 

        // 关闭socket
        close(connfd);
        sleep(1);
     }
}

代码出处 https://www.thegeekstuff.com/2011/12/c-socket-programming/

通过以上代码，我们对socket有了一个简单的认识，同时也了解了数据交换的基本流程。后面会对基于TCP协议的HTTP协议进行一个详细的介绍。

参考资料

TCP/IP协议族

传输控制协议

《TCP/IP详解 卷一》