Linux应用编程和网络编程（11）-------TCP/IP协议的简单学习与应用socket接口编程

1.网络的分层结构

因为网络是一种非常复杂的通信方式，所以要通过分层来进行开发难度的降低。因此我们在研究网络通信时，一定要在同一个层次进行研究，不能跨层次研究，比如分析客户端和服务器的收发时，要分析API层次时，两部分都要统一在这个层次进行分析，而不能是一端分析API接口，另一端却去分析驱动了。一般情况下，我们在网络编程时最关注的是应用层，传输层只需要了解即可。

2.BS和CS
（1）CS架构介绍（client server，客户端服务器架构）。比如QQ，360网盘之类的（在电脑上或手机上用软件登录的）。
（2）BS架构介绍（broswer server，浏览器服务器架构）。比如在线版的QQ，网页版360网盘（用浏览器打开的）。

一，TCP协议的简单学习

TCP协议
传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

1、关于TCP理解的重点

1. TCP协议工作在OSI七层模型的传输层，对上服务socket接口，对下调用IP层.
2. TCP协议面向连接，通信前必须先3次握手建立连接关系后才能开始通信。
3. TCP协议提供可靠传输，不怕丢包、乱序等。

2、TCP如何保证可靠传输

1. TCP在传输有效信息前要求通信双方必须先握手，建立连接才能通信
2. TCP的接收方收到数据包后会ack给发送方，若发送方未收到ack会丢包重传
3. TCP的有效数据内容会附带校验，以防止内容在传递过程中损坏
4. TCP会根据网络带宽来自动调节适配速率（滑动窗口技术）
5. 发送方会给各分割报文编号，接收方会校验编号，一旦顺序错误即会重传。

建立TCP需要三次握手才能建立，而断开连接则需要四次握手。整个过程如下图所示：

3、TCP的三次握手

1. 首先Client端发送连接请求报文，Server段接受连接后回复ACK报文，并为这次连接分配资源。Client端接收到ACK报文后也向Server段发生ACK报文，并分配资源，这样TCP连接就建立了。
2. 建立连接的条件：服务器listen时客户端主动发起connect

4、TCP的四次挥手

1. 断开连接的条件：服务器或者客户端都可以主动发起关闭。
2. 断开过程：假设客户端先向其TCP发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接。客户端发送释放报文FIN [第一次] 。服务器收到释放报文后发出确认报文ACK [第二次] 。服务器发出的连接释放报文FIN，并且还附带上次已发送过的确认号ACK [第三次] 。客户端在收到服务器的连接释放报文段后，发送确认报文ACK [第四次] 。

注：这些握手协议已经封装在TCP协议内部，socket编程接口平时不用管

5、基于TCP通信的服务模式

1. 具有公网IP地址的服务器（或者使用动态IP地址映射技术）
2. 服务器端socket、bind、listen后处于监听状态
3. 客户端socket后，直接connect去发起连接。
4. 服务器收到并同意客户端接入后会建立TCP连接，然后双方开始收发数据，收发时是双向的，而且双方均可发起
5. 双方均可发起关闭连接
6. 常见的使用了TCP协议的网络应用：http（相当于一个应用程序，用来传输文本信息）、ftp、QQ服务器和mail服务器。这些需要很高可靠的应用，底层都是基于TCP协议的。

---

二，socket编程接口介绍

1、建立连接

1. socket：socket函数类似于open，用来打开一个网络连接，如果成功则返回一个网络文件描述符（int类型），之后我们操作这个网络连接都通过这个网络文件描述符。
2. == bind==：用来进行绑定的函数，把本地的IP地址和socket进行绑定。功能类似于fctrl函数，是用来改变属性的函数。
3. listen：监听一个端口，监听的是在bind时绑定的那个地址。
4. accept：返回值是一个fd，accept正确返回就表示我们已经和前来连接我的客户端之间建立了一个TCP连接了，以后我们就要通过这个连接来和客户端进行读写操作，读写操作就需要一个fd，这个fd就由accept来返回了。（阻塞的位置）
5. connect：用来连接服务器的（客户端那边用）。

2、发送和接收

1. send/write：发送数据。（send比write就多了一个flag，只有支持一些特殊协议时会用到flag，普通情况写0即可）
2. recv/read：接收数据。（在网络中发送有点像是写文件，在网络中接收有点像是收文件）

3、辅助性函数

1. ==inet_aton、inet_addr、inet_ntoa ==：(点分十进制和32位二进制形式互相转化，不支持IPv6)
2. inet_ntop、inet_pton:(点分十进制和32位二进制形式互相转化，支持IPv6)

4、表示IP地址相关数据结构

1. 都定义在 netinet/in.h

2. struct sockaddr，这个结构体是网络编程接口中用来表示一个IP地址的，注意这个IP地址是兼容IPv4和IPv6的

3. typedef uint32_t in_addr_t; 网络内部用来表示IP地址的类型

4. struct in_addrstruct in_addr { in_addr_t s_addr; };

5. struct sockaddr_in

struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;                 /* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;            /* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
                           __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
                           sizeof (in_port_t) -
                           sizeof (struct in_addr)];
  };
  

6. struct sockaddr 这个结构体是linux的网络编程接口中用来表示IP地址的标准结构体，bind、connect等函数中都需要这个结构体，这个结构体是兼容IPV4和IPV6的。在实际编程中这个结构体会被一个struct sockaddr_in或者一个struct sockaddr_in6所填充。

---

三，IP地址格式转换函数实践

在进行格式转换时，这些函数，默认都使用大端模式

#include 
#include 
#include 
#include 


#define IPADDR	"192.168.1.102"

// 0x66		01	a8		c0
// 102		1	168		192
// 网络字节序，其实就是大端模式


int main(void)
{
	//使用inet_ntop来转换
	struct in_addr addr = {0};
	char buf[50] = {0};
	
	addr.s_addr = 0x6601a8c0;
	
	inet_ntop(AF_INET, &addr, buf, sizeof(buf));

	printf("ip addr = %s.\n", buf);   //192.168.1.102
	
	
#if 0
	// 使用inet_pton来转换
	int ret = 0;
	struct in_addr addr = {0};
	
	ret = inet_pton(AF_INET, IPADDR, &addr);
	if (ret != 1)
	{
		printf("inet_pton error\n");
		return -1;
	}
	
	printf("addr = 0x%x.\n", addr.s_addr);  //0x6601a8c0
	
#endif
	
#if 0    //使用inet_addr来转换
	in_addr_t addr = 0;
	
	addr = inet_addr(IPADDR);
	
	printf("addr = 0x%x.\n", addr);		// 0x6601a8c0
	
#endif	

	return 0;
}

---

四，网络编程实战

---

概念：端口号，实质就是一个数字编号，用来在我们一台主机中（主机的操作系统中）唯一的标识一个能上网的进程。端口号和IP地址一起会被打包到当前进程发出或者接收到的每一个数据包中。每一个数据包将来在网络上传递的时候，内部都包含了发送方和接收方的信息（就是IP地址和端口号），所以IP地址和端口号这两个往往是打包在一起不分家的。

探讨：如何让服务器和客户端好好沟通
(1)客户端和服务器原则上都可以任意的发和收，但是实际上双方必须配合：client发的时候server就收，而server发的时候client就收
(2)必须了解到的一点：client和server之间的通信是异步的，这就是问题的根源
(3)解决方案：依靠应用层协议来解决。说白了就是我们server和client事先做好一系列的通信约定。

自定义应用层协议
1、自定义应用层协议第一步：规定发送和接收方法
(1)规定连接建立后由客户端主动向服务器发出1个请求数据包，然后服务器收到数据包后回复客户端一个回应数据包，这就是一个通信回合
(2)整个连接的通信就是由N多个回合组成的。

2、自定义应用层协议第二步：定义数据包格式
3、常用应用层协议：http、ftp······

下面以一个例子展示网络编程：客户端向服务器注册学生的基本信息（发送一个数据包），服务器回应一个数据包表示接收完成（展示学生的基本信息）。

服务器端代码：server.c

#include 
#include 
#include           /* See NOTES */
#include 
#include 
#include 

#define SERPORT		9003
#define SERADDR		"192.168.1.104"		// ifconfig看到的
#define BACKLOG		100		//貌似是最大能容纳的连接数

char recvbuf[100];

#define CMD_REGISTER	1001	// 注册学生信息
#define CMD_CHECK		1002	// 检验学生信息
#define CMD_GETINFO		1003	// 获取学生信息

#define STAT_OK			30		// 回复ok
#define STAT_ERR		31		// 回复出错了

typedef struct commu
{
	char name[20];		// 学生姓名
	int age;			// 学生年龄
	int cmd;			// 命令码
	int stat;			// 状态信息，用来回复
}info;


int main(void)
{
	int sockfd = -1, ret = -1, clifd = -1;
	socklen_t len = 0;
	//这里的结构为sockaddr_in结构体包含sin_port和sin_addr结构体，sin_addr结构体包含s_addr
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	// 第1步：先socket打开文件描述符	
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步：bind绑定sockefd和当前电脑的ip地址&端口号
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	//　设置IP地址
	ret = bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("bind");
		return -1;
	}
	printf("bind success.\n");
	
	// 第3步：listen监听端口
	ret = listen(sockfd, BACKLOG);		// 阻塞等待客户端来连接服务器
	if (ret < 0)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	
	// 第4步：accept阻塞等待客户端接入
	clifd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
	printf("连接已经建立，client fd = %d.\n", clifd);

	// 客户端反复给服务器发
	while (1)
	{
		info st;
		// 回合中第1步：服务器收
		ret = recv(clifd, &st, sizeof(info), 0);

		// 回合中第2步：服务器解析客户端数据包，然后干活，
		if (st.cmd == CMD_REGISTER)
		{
			printf("用户要注册学生信息\n");
			printf("学生姓名：%s，学生年龄：%d\n", st.name, st.age);
			// 在这里服务器要进行真正的注册动作，一般是插入数据库一条信息
			
			// 回合中第3步：回复客户端
			st.stat = STAT_OK;
			ret = send(clifd, &st, sizeof(info), 0);
		}
		
	}

	return 0;
}

客户端代码：client.c

#include 
#include 
#include           /* See NOTES */
#include 
#include 
#include 

#define SERADDR		"192.168.1.104"		// 服务器开放给我们的IP地址和端口号
#define SERPORT		9003

//发送、接收缓冲区
char sendbuf[100];
char recvbuf[100];

#define CMD_REGISTER	1001	// 注册学生信息
#define CMD_CHECK		1002	// 检验学生信息
#define CMD_GETINFO		1003	// 获取学生信息

#define STAT_OK			30		// 回复ok
#define STAT_ERR		31		// 回复出错了

typedef struct commu
{
	char name[20];		// 学生姓名
	int age;			// 学生年龄
	int cmd;			// 命令码
	int stat;			// 状态信息，用来回复
}info;

int main(void)
{
	int sockfd = -1, ret = -1;
	//这个结构体是网络编程接口中用来表示一个IP地址的，
	//这个IP地址是兼容IPv4和IPv6的
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	// 第1步：创建socket(AF_INET：使用IPv4进行通信，SOCK_STREAM：TCP)
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步：connect链接服务器，向结构体填充服务器信息
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息（检测大小端并调整）
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	//　设置IP地址
	ret = connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("connect");
		return -1;
	}
	printf("成功建立连接\n");

	while (1)
	{
		// 回合中第1步：客户端给服务器发送信息
		info st1;
		printf("请输入学生姓名\n");
		scanf("%s", st1.name);
		printf("请输入学生年龄");
		scanf("%d", &st1.age);
		st1.cmd = CMD_REGISTER;
		ret = send(sockfd, &st1, sizeof(info), 0);
		printf("已发送%s学生的信息\n",st1.name);
		
		// 回合中第2步：客户端接收服务器的回复
		memset(&st1, 0, sizeof(st1));
		ret = recv(sockfd, &st1, sizeof(st1), 0);
		
		// 回合中第3步：客户端解析服务器的回复，再做下一步定夺
		if (st1.stat == STAT_OK)
		{
			printf("注册学生信息成功\n");
		}
		else
		{
			printf("注册学生信息失败\n");
		}

	}

	return 0;
}