Linux网络编程----基础知识总结

"Linux"我感觉仅从字面上讲就感觉不是很简单，千里之行，始于足下，接下来要开始有关Linux网络编程的学习了。我写的博客更多的是为了记录自己的学习知识点，有很多地方可能存在一些问题，毕竟水平低，敬请谅解。
今天看了好久有关Linux的书，对Linux有了一个比较笼统的了解。根据知乎里的推荐：

关于Linux的基本知识点，自己也是学习了别人总结的知识点，个人感觉总结得比较全面：
程序员必备！非常全的Linux基础知识点，你知道多少？

互联网促成了TCP/IP协议的产生

• 早期的ARPAnet使用网络控制协议（Network Control Protocol NCP）,不能互联不同类型的计算机和不同类型的操作系统，没有纠错功能。
• 1973年有Robert Kahn和Vinton Cerf两人合作为ARPAnet开发了新的互联协议。
• 1974年12月两人正式发表第一份TCP协议详细说明，但次协议在有数据包丢失时不能有效的纠正

TCP协议分为两个不同的协议
用来检测网络传输中差错的循环数控制协议TCP(可靠传输)
专门负责对不同网络进行互联的互联协议IP(不可靠传输)

从此，TCP/IP协议诞生

什么是TCP/IP协议呢？

计算机与网络设备之间如果要相互通信,双方就必须基于相同的方法.比如如何探测到通信目标.由哪一边先发起通信,使用哪种语言进行通信,怎样结束通信等规则都需要事先确定.不同的硬件,操作系统之间的通信,所有这一切都需要一种规则.而我们就将这种规则称为协议 (protocol).

也就是说，TCP/IP 是互联网相关各类协议族的总称。

网络的体系结构

• 网络采用分而治之的方法设计，将网络的功能划分为不同模块，以分层的形式有机的组合在一起
• 每层实现不同的功能，其内部实现方法对外部其他层次来说是透明的。每层向上层提供服务，同时使用下层提供的服务
• 网络体系结构即指网络的层次结构和每层所使用协议的集合
• 两类非常重要的体系结构：OSI和TCP/IP

OSI开放系统互联模型

OSI模型相关的协议已经很少使用，但是模型本身却非常通用
OSI模型是一个理想化的模型，尚未有完整的实现
OSI模型有七层结构：

事实上，TCP/IP协议是internet事实上的工业标准：
一共有四层：


至于为什么要分层呢？
把TCP/IP协议分层后，如果后期某个地方需要设计修改，那么就无须全部替换，只需要将需要改动的层变动。而且从设计上来说，也便得更加的简单。处于应用层上的应用可以只考虑分配给自己的任务，而不需要弄清楚对方在哪个地方又进行着怎样的传输

常见的协议

- 网络接口与物理层

MAC地址：48位全球唯一的用来作为网络设备的身份标识。在网络接口与物理层中主要的协议为:ARP/RARP。
ARP：主要通过其IP地址找到MAC地址；
RARP：通过MAC地址找到对应的IP地址
PPP协议：他是一种拨号协议（3G,4G,5G,GPS）

- 网络层（IP层）

IP协议：Internet protocal（分为IPV4和IPV6）
ICMP:Internet控制管理协议（ping命令）
IGMP:Internet分组管理协议（广播，组播等）

- 传输层

TCP:(Transfer Control protocol,传输控制协议 )提供面向对象连接的，一对一的可靠数据传输的协议。（数据无误、数据无丢失、数据无序性、数据无重复到达的通信）
UDP:(user Datagram Protocol,用户数据报协议)：提供不可靠，无连接的尽力传输协议（是不可靠的无连接的协议，在数据发送前，因为不需要进行连接，所以可以进行高效率的数据传输）
SCTP:(Stram Control Transmission Protocol:流控制传输协议)，TCP的增强版，提供面向连接的，多对一或多对多的可靠数据传输协议

TCP和UDP
TCP和UDP都是传输层协议，但是两者具有不同的特效，同时也具有不同的应用场景。

面向报文：
面向报文的传输方式是应用层交给UDP多长的报文，UDP发送多长的报文，即一次发送一个报文。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。

面向字节流：
虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块(大小不等)，但TCP把应用程序看成是一连串的无结构的字节流。TCP有一个缓冲，当应该程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。
关于TCP的三次握手与四次挥手：
第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，并将syn(标记位)设置为1，Squence Number(数据包序号)(seq)为x,接下来等待服务端确认，客户端进入SYN_SENT状态(请求连接)；

第二次握手：服务端收到客户端的 SYN 报文段，对 SYN 报文段进行确认，设置 ack(确认号)为 x+1(即seq+1 ; 同时自己还要发送 SYN 请求信息，将 SYN 设置为1, seq为 y。服务端将上述所有信息放到 SYN+ACK 报文段中，一并发送给客户端，此时服务器进入 SYN_RECV状态。

SYN_RECV是指,服务端被动打开后,接收到了客户端的SYN并且发送了ACK时的状态。再进一步接收到客户端的ACK就进入ESTABLISHED状态。

第三次握手：客户端收到服务端的 SYN+ACK(确认符) 报文段；然后将 ACK 设置为 y+1,向服务端发送ACK报文段，这个报文段发送完毕后，客户端和服务端都进入ESTABLISHED(连接成功)状态，完成TCP 的三次握手。

上面的解释可能有点不好理解，《图解HTTP》中的一副插图 形象的解释了以上的过程。

当客户端和服务端通过三次握手建立了 TCP 连接以后,当数据传送完毕,断开连接就需要进行TCP的四次挥手。其四次挥手如下所示：

第一次挥手

客户端设置seq和 ACK ,向服务器发送一个 FIN(终结)报文段。此时，客户端进入 FIN_WAIT_1 状态，表示客户端没有数据要发送给服务端了。

第二次挥手

服务端收到了客户端发送的 FIN 报文段，向客户端回了一个 ACK 报文段。

第三次挥手

服务端向客户端发送FIN 报文段，请求关闭连接，同时服务端进入 LAST_ACK 状态。

第四次挥手

客户端收到服务端发送的 FIN 报文段后，向服务端发送 ACK 报文段,然后客户端进入 TIME_WAIT 状态。服务端收到客户端的 ACK 报文段以后，就关闭连接。此时，客户端等待 2MSL（指一个片段在网络中最大的存活时间）后依然没有收到回复，则说明服务端已经正常关闭，这样客户端就可以关闭连接了。
完整的过程如下：

- 应用层

网络访问协议：HTTP/HTTPS
邮件发送接收协议：POP3(收)/SMTP(发) 、IMAP(可接受邮件的一部分)、 FTP
Telnet/SSH：远程登录
嵌入式相关：
NTP:网络时钟协议
SNMP:简单网络管理协议（实现对网络设备集中式管理）
RTP/RTSP:用来传输音频的协议（安防监控）

TCP/IP协议通信模型

网络封包是指数据包在网络中用指定的协议传输过程。
计算机只能识别二进制的数据，数据也是用二进制的方式存储在计算机中。要想实现多台计算机之间的通信，就要依赖一定的通信协议，如TCP/IP/HTTP等网络协议。为了区分每个协议，数据在传输过程中，会被用到的协议加上指定的格式。也可以理解为对数据的打包发送。例如：快递人员要把你购买的东西送到你家，就要先包装好，然后加上你的个人信息，最后送到你手中，整个过程称为封包。

网络编程的预备知识

Socket简介：

• 是一个编程接口
• 是一种特殊的文件描述符（everything in Unix is a file）
  对它执行IO的操作函数，比如：read(),write(),close()等操作函数并不仅限于TCP/IP协议。
• Socket代表着网络编程的一种资源
• 面向连接（Transmission Control Protocol—TCP/IP）
• 无连接(User Datagram Protocol-UDP和Inter-network Packet Exchange-IPX)

Socket类型：

流式嵌套字（SOCK_STREAM): (唯一对应着TCP）
提供一个面向连接，可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复的发送且按发送顺序接收。内设置流量控制，避免数据淹没慢的接收方。数据被看做字节流，无长度限制。
数据报嵌套字(SOCK_DGRAM)： 唯一对应着UDP
提供无连接服务。数据报一独立数据包的形式被发送，不提供无差错保证，数据可能丢失或重复，顺序发送，可能乱序接收
原始嵌套字（SOCK_RAM）： （对应着多个协议，发送穿透了传输层）
可以对较低层次协议如IP、ICMP直接访问

IP地址

IP地址是Internet中主机的标识
- Internet中的主机要与别的机器通讯必须具有一个IP地址
- IP地址为32位（IPV4）或者128位（IPV6）
P)
- 每个数据包都必须携带目的的IP地址和源IP地址，路由器依靠此信息为数据包

• IPV4表示形式：常用点分形式，如202.38.64.10，最后都会转换为一个32位的无符号整数
• IP地址分类
  IPV4:采用32位的整数来表示
  IPV6:采用了128位整数来表示
  mobileIPV6:local IP(本地注册的)、room IP(漫游I
  特殊的IP地址：
  局域网：192.xxx.xxx.xxx 10.xxx.xxx.xxx
  广播IP:xxx.xxx.xxx.255,255.255.255.255（全网广播）
  组播IP:224.xxx.xxx.xxx~239.xxx.xxx.xxx

端口号

• 为了区分一台主机接收到的数据包应该转交给哪个任务来进行处理，使用端口号来区别
• TCP端口号与UDP端口独立
• 端口号一般由IANA(Internet Assigned Numbers Authority)管理
• 众所周知端口：1~ 2023(1~ 255之间为众所周知端口，256~1023端口通常由UNIX系统占用)[FTP:21,SSH:22,HTTP:80,HTTPS:469]
• 注册端口：1024~ 49150
• 动态或私有端口：49151~65535

字节序

不同类型CPU的主机中，内存存储多字节整数序列有两种方法，称为主机字节序（HBO）:

• 小端序（little-endian）-低序字节存储在低地址
  • 将低字节存储在起始地址，称为“little-Endian”字节序，Inter、AMD等
• 大端序（big-endian）-高序字节存储在低地址
  • 将高字节存储在起始地址，称为“big-Endian”字节序，由ARM,Motorolo等所采用
• 网络中传输的数据必须按网格字节序即大端字节序
• 在大部分pc机上，当应用进程将整数送入Soket前，需要转化成网格字节序：当应用进程从socket取出整数后，要转化成小端字节序

IP地址常用的转换函数

in_addr_t inet_addr(const char *cp):
cp:点分形式的IP地址，结果是32位整数（内部包含了字节序的转换，默认是网络字节序的模式）
特点：
①仅仅适用于IPV4
②当出错时，返回-1
③此函数不能用于255.25.255.255的转换
inet_pton()/inet ntop():

#include 
int inet_pton(int af,const char*src,void *dat)

特点：
①适用于IPV4和IPV6
②能正确的处理255.255.255.255的转换问题
参数：
①af:地址协议族（AF_INET或INET6）
②src:是一个指针（填写点分形式的IP地址[主要是ipv4]）
③dst:转换的结果给到dst
注意：
RETURN VALUE
inet_pton() return 1 on success(network address was successfully converted).