计算机网络（一）——网络编程

一、Linux网络模型

Linux中网络栈的介绍一般分为四层的Internet模型：

TCP/IP协议族体系结构及主要协议：

1、TCP/IP协议族

TCP/IP实际上是一个协同工作的通信家族，为网络通信提供通路。为方便讨论TCP/IP协议族，大体上分为三部分：

Internet协议（IP）。

传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。

处于TCP和UDP之上的一组应用协议。它们包括：Telnet，文件传送协议（FTP），域名服务协议（DNS）和简单的邮件传送程序（SMTP）等。

2、数据链路层

数据链路层实现了网卡接口的网络驱动程序，以处理数据在网络媒介上（比如以太网）上的传输。不同的物理网络层具有不同的电器特性，网络驱动程序隐藏了这些细节，为上层协议提供了统一的接口。

3、网络层

网络层实现数据包的选路和转发。WAN通常使用众多分级的路由器来连接分散的主机或LAN，因此，通信的两台主机一般不是直接连接的，而是通过多个中间节点连接的。网络层的任务就是选择这些节点，以确定两台主机间的通信路径。同时，网络层对上层协议隐藏了网络拓扑连接的细节，使得在传输层和网络应用程序看来，通信的双方是直接相连的。

4、传输层

传输层为两台主机上的应用程序提供端到端（end to end）的通信。与网络层使用的逐跳的通信方式不同，传输层只关心通信的起始端和目的端，而不关心数据包的中转过程。

5、应用层

应用层负责处理应用程序的逻辑。

应用层协议很多：ping：应用程序，不是协议，调试网络环境；

                             telnet：远程登录协议。

                             DNS：机器域名到ip的转换。

                             HTTP：超文本传输协议，是一种详细规定了浏览器和万维网服务器之间互相通信的规则，通过因特网传送文档                                                         的数据传送协议。

                             DHCP：动态主机配置协议。

6、数据封装

应用层程序在发送到物理网络之前，将沿着协议栈从上往下依次传递。每层协议都将在上层协议的基础上加上自己的头部信息（有时还包括尾部信息），以实现该层的功能，这个过程称为封装。

7、IP协议：

IP的主要目的是为数据输入/输出网络提供基本算法，为高层协议提供无连接的传送服务。这意味着在IP将数据交给接收站以前不在传输站点和接收站点之间建立对话。它只是封装和传递数据，但不向发送者或接收者报告包的状态，不处理所遇到的故障。

IP包由IP协议头与协议数据两部分构成。

8、TCP协议

TCP协议（传输控制协议）为应用层提供可靠的、面向连接的、基于流（stream）的服务。TCP协议使用超时重传、数据确认等方式来确保数据包被正确发送到目的地，因此TCP服务是可靠的。使用TCP协议通信的双方必须先建立TCP连接，并且在内核中为该连接的双方必须先建立TCP连接，并且在内核中为该连接维持一些必须的数据结构。当通信结束时，双方必须关闭连接以释放这些内核数据。

（1）TCP协议头部结构

（2）TCP三次握手

所谓三次握手（Three—way Handshake），是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送三个包。

这个东西还是挺有搞头的，把这一大块整理完后，再把三次握手具体过程理一理。

（3）TCP四次挥手

TCP连接的删除需要发送四个包，因此称为四次挥手（four—way handshake）。客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在socket编程中，任何一方执行close（）操作即可产生挥手操作。

9、UDP协议

UDP协议（用户数据报协议），它与应用层TCP协议完全相反。提供不可靠、无连接和基于数据报的服务。不可靠意味着UDP协议无法保证数据从发送端正确的发送到接收端。如果数据在中途丢失，或者目的端通过数据校验发现数据错误而将其丢弃，则UDP协议的应用程序通常要自己处理数据确认、超时重传等逻辑性。

 

二、Linux网络编程基础

1、网络套接字socket

Linux中的网络编程通过Socket(套接字)实现，Socket是一种文件描述符。

（1）socket的三种类型

流式套接字（SOCK_STREAM）：流式套接字可以提供可靠的、面向连接的通讯流，它使用TCP协议。TCP保证了数据传输的正确性和顺序性。

数据报套接字（SOCK_DGRAM）：数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠，无差错，它使用数据报协议UDP

原始套接字（SOCK_RAW）：原始套接字允许使用IP协议，主要用于新的网络协议的测试等。 一般用于网络测试。

2、地址结构

在socket程序设计宏，struct sockaddr用于保存socket地址信息：

struct sockaddr

{

              unsigned short sa_family;   /*地址族*/

               char sa_data[14];               /*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号*/

}

sa_family：协议族，采用“AF_XXX”的形式，如AF_INET(IPV4协议)

sa_data：14字节的特定协议地址。

在socket程序设计中，struct sockaddr_in 同样用于保存socket地址信息：

struct sockaddr_in

{

              short int sin_family;   /*Internet地址族*/

               unsigned short int sin_port;  /*端口号*/

               struct in_addr sin_addr;   /*IP地址*/

               unsinged char sin_zero[8];   /*填0以保持和strruct sockaddr同样大小*/

}；

IP地址结构：

struct in_addr  //网络IP的类型

{

               unsigned  long s_addr；    /*32位的地址*/

}

在实际编程中，一般不针对sockaddr数据结构进行操作，而是使用与sockaddr_in数据结构。

3、字节序转换

（1）字节序概念

不同类型的CPU对变量的字节存储顺序可能不同；有的系统是高位在前，低位在后，而有的系统是低位在前，高位在后。在网络的数据顺序一定是要统一的。所以当内部字节存储顺序和网络字节顺序不同时，就一定要进行转换。

如32bit的整数（0x01234567）从地址0x100开始：

V小端字节序：（高位放在低地址）

V大端字节序：（高位放在高地址）

（2）网络字节序：

网络字节序是TCP/IP中规定好的一种数据表示格式，它与具体的CPU类型，操作系统等无关。从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释。网络字节顺序采用big endian排序方式。

（3）字节序转换函数：

#include

uint16_t htons(unit16_t host16bit);  //把unsigned int 类型从主机序到网络序

uint32_t htonl(unit32_t host32bit);   //把unsigned long 类型从主机序到网络序

uint16_t ntohs(unit16_t net16bit);  //把unsigned short 类型从网络序到主机序

unit32_t ntohl(unit32_t net32bit);   //把unsigned long 类型从网络序到主机序  

h--host  n--network  s--short   l--long 通常16位的IP端口号用s代表。而IP地址用I代表。

4、IP与主机名

在网络上标识一台机器可以用IP，也可以使用主机名。

#include

struct hostent * getnostbyname(const char * hostname);  // 实现主机名到IP地址的转换

函数返回值：

struct hostent 

{

            char * h_name;     //主机的正式名

            char **h_aliases;   //主机的别名组

            int h_addrtype;     //主机的地址类型

            int h_length;         //主机的地址列表长度

            char **h_addr_list;  //主机的IP地址列表（32位网络地址）

}

#define  h_addr  h_addr_list[0]   //主机的首个IP地址

5、IP地址转换

IP地址通常由数字加点的形式表示，而struct in_addr中使用的IP地址是32位整数表示的，为了转换可以使用如下两个函数。

#include

int iner_aton(const char * cp, struct in_addr *inp);   //将a.b.c.d形式的IP转换为32位的IP

char * inet_ntoa(struct in_addr in);        //将32位的IP转化为a.b.c.d的形式

 

三、socket网络编程

1、socket核心函数

（1）socket

#include

#include

int socket（int domain, int type, int protocol）;

sockt函数对应于文件的打开操作（Linux一切皆文件），函数用于创建一个socket描述符。把它作为参数可以进行读，写等操作。

参数含义：sdomain：协议域，又称协议族。常用协议：AF_INET（IPV4协议）、AD_INET6(IPV6协议)、AF_LOCAL、                                                                AF_ROUTE等。

                              type：指定socket的类型。上文有介绍，常用的有三种，SOCK_STREAM，SOCK_DGRAM。

                             prorocol：指定协议。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

上面的type和protocol不可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

（2）bind

bind（）函数将一个地址族中的特定地址赋给socket。

#include

#include

int bind(int sockfd,  const struct sockaddr * addr,  socklen_t addrlen);

sockfd: socket描述字，通过socket（）函数创建，唯一标识一个socket。bind（）函数就是给这个描述字绑定一个名字。

addr：这个结构体指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket的地址协议族的不同而不同，IPV4对应的IP地址是sockaddr_in上文有具体说明这个结构体。

为什么服务器需要绑定，而客户端不需要？

通常服务器在启动时需要绑定一个地址（地址加端口号）用于提供服务，客户端可以通过这个地址对服务器进行连接。而客户端则不需要，由系统自动分配端口号和自身IP地址组合即可。所以服务器在监听前需要进行绑定，而客户端不需要，在connect（）时会由系统自动生成。

为什么有时候会出现bind（）出错的情况，如何解决？

当clinet终止时自动关闭socket描述符，server的TCP连接收到的client发的FIN段后处于TIME_WAIT状态。TCP协议规定，主动关闭连接的一方要处于TIME_WAIT状态，等待两个MSL（maximum segment lifetime）的时间才能回到CLOSE的状态，当ctrl-C结束server时，server是主动关闭的一方，TIME_WAIT期间不能再次监听同样的server端口。

在server的TCP连接没有完全断开之前不允许重新监听是不合理的，因为，TCP连接没有完全断开指的是fd（127.0.0.1:8000）没有完全断开，而我们重新监听的是sockfd（0.0.0.0:8000），虽然是占用同一个端口，但IP地址不同，fd对应的是不某个客户端通讯的一个具体的IP地址，而sockfd对应的是wildcard address。解决这个问题的方法是使用setsockopt()设置socket描述符的选项SO_REUSEADDR为1，表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符。

在socket和bind之间插入如下代码。

int opt = 1;

setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

（3）listen和connect

服务器在调用socket（）、bind（）之后调用listen（）来监听这个socket，如果客户端这时调用connect发出连接，服务器将会收到这个请求。

#include

#include

int listen(int sockfd, int backlog);

int connect(int sockfd, const struct sockaddr * addr, socklen_t addrlen);

listen的第一次参数为监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数与TCP服务器建立连接。

（4）accept

服务器监听到客户端通过connect发出的连接请求后，就将调用accept（）函数来接受这个请求，这样连接就建立好了。之后就可以进行网络I/O操作，类同于普通文件的读写I/O操作。

#include

#include

int accept(int sockfd, struct sockaddr * addr, socklen_t *addrlen);

函数参数结构与connect，第一个参数是服务器socket（）产生的sockfd，称为监听套接字，用于监听新的连接。第二个参数用于返回客户端的IP地址信息。

返回值是一个全新的文件描述符，这个文件描述符用于新建立的该连接的信息传输。

（5）read（）/write（）

至此，服务器与客户端已建立起连接。可以使用网络I/O进行读写操作，实现网络中不同进程之间的通信。

#include  

ssize_t read(int sockfd, void *buf, size_t count);    

ssize_t write(int sockfd, const void *buf, size_t count); 

read用于从sockfd中读取内容，读成功时，read返回实际所读字节数， 小于0表示出错。

write函数将buf中的count自己内容写入sockfd中。失败返回-1。

（6）sendto（）/recvfrom（）

这两个函数用于基于无连接的网络传输协议，每次进行信息传输，需要注明接收方或者发送方的IP地址信息。

ssize_t sendto(int sockfd,  const vod *buf,  size_t  len, int  flags, const struct sockaddr * dest_addr, socklen_t  addrlen); 

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len,  int  flags, struct sockaddr * src_addr, socklen_t * addrlen); 

（7）close（）

在完成了读写操作后，关闭相应的socket描述符，与文件操作的fclose（）类似。

#include  

int close(int fd);

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

2、基于TCP的网络编程

（1）基于TCP—服务器

（a）创建一个socket，用函数socket（）

（b）绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind（）

（c）监听套接字，设置允许的最大连接数，用函数listen（）

（d）接收客户端发来的连接请求，用函数accept（）

（e）收发数据，用函数send（）和recv（），或者read（）和write（）

（f）关闭网络连接

（2）基于TCP—客户端

（a）创建一个socket，用函数socket（）

（b）设置要连接的对方IP地址和端口等属性。

（c）连接服务器，用函数connect（）

（e）收发数据，用函数send（）和recv（），或者read（）和write（）

（f）关闭网络连接

TCP模型

3、基于UDP的网络编程

（1）基于UDP—服务器

（a）创建一个socket，用函数socket（）

（b）绑定IP地址，端口等信息到socket上，用函数bind（）

（c）循环接收数据，用函数recvfrom（）

（d）关闭网络连接

（2）基于UDP—客户端

（a）创建一个socket，用函数socket（）

（b）绑定IP地址，端口等信息到socket上，用函数bind（）

（c）设置连接方的IP地址和端口等信息

（d）发送数据，用函数sendto（）

（e）关闭网络连接

UDP模型

4、服务器模型

在网络程序里，一般来说都是许多客户对应一个服务器，为了处理客户的请求，对服务端的程序就提出特殊的要求。目前最常用的服务器模型有：

循环服务器：服务器在同一个时刻只可以相应一个客户端的请求。

并发服务器：服务器在同一个时刻可以相应多个客户端的请求。

（1）UDP循环服务器

UDP循环服务器实现的方法：UDP服务器每次从套接字上读取一个客户端的请求->处理->将结果返回给客户端

socket（....）;

bind（...）；

while（1）

{

              recvfrom（...）;

              process(....);

               sendo(....);

}

因为UDP是非面向连接的，没有一个客户端可以总是占用服务器，所有服务器对每一个客户的要求总能满足。

（2）TCP并发服务器

并发服务器的思想是每一个客户机的请求并不由服务器直接处理，而是由服务器创建一个子进程（线程）来处理。算法如下：

socket（.....）；

bind（.....）；

listen（.....）；

while（1）

{

             accept（....）；

             if(fork(...) == 0)   {

             process(.....);

              exit();

             }

              close（.....）；

}

缺点：创建子进程处理客户端请求对资源内存消耗很大。

5、多路复用I/O

阻塞函数在完成其他指定的任务以前不允许程序继续向下执行。例如：当服务器运行到accept语句时，而没有客户请求连接，服务器就会停在accept语句上等待连接请求的到来。这种情况称为阻塞。例如，如果你希望服务器仅仅检查是否有客户在等待连接，有就接受连接，否则就继续做其他事情，则可以通过select系统调用来实现。除此之外，select还可以同时监视多个套接字。

SELECT：

int select(int maxfd, fd_set * readfds, fd_set * writefds, fd_set * exceptfds, const  struct timeval * timeout);

参数：

Maxfd ：文件描述符的范围，比待检的最大描述符大一即可。

Readfds：被读监控的文件描述集

Writefds：被写监控的文件描述符集

Exceptfds：被异常监控的文件描述符集

Timeout：定时器，0：非阻塞 ， NULL：阻塞， 正整数：等待的最大时间，即函数在timeout时间是阻塞的、

返回值：

正常情况返回满足要求的文件描述符个数；

经过了timeout等待时间仍无文件满足，返回值为0；

如果select 被某个信号中断，它将返回-1并设置error为EINTR；

出错，返回-1并设置相应的error。

使用步骤：

（1）设置要监控的文件

（2）调用select开始监控

（3）判断文件是否发送变化

系统提供了4个宏对描述符集进行操作：  

 #include  

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset)    //将文件描述符fd添加到文件描述符集fdset中

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)    //从文件描述符集fdset中清除文件描述符fd 

void FD_ZERO(fd_set *fdset)      //清空文件描述符集fdset

void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset)   //在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集fdset中的文件fd发生了变化