linux -网络编程一网络基本概念和Socket编程

目录

1 网络基础概念

1.1 协议

1.2分层模型

1.3 数据通信过程

1.4 网络应用程序的设计模式

1.5 以太网帧格式

1.6网络名词术语解析(自行阅读扫盲)

2 SOCKET编程

 2.1 socket编程预备知识

2.2 socket编程主要的API函数介绍

目标：

• 了解OSI七层、TCP/IP四层模型结构
• 了解常见网络协议格式
• 掌握网络字节序和主机字节序之间的转换（大端法和小端法）
• 说出TCP服务器端通信流程
• 说出TCP客户端通信流程
• 独立写出TCP服务器端代码
• 独立写出TCP客户端代码

1 网络基础概念

1.1 协议

        

概念: 协议事先约定好, 大家共同遵守的一组规则, 如交通信号灯.从应用程序的角度看, 协议可理解为数据传输和数据解释的规则;可以简单的理解为各个主机之间进行通信所使用的共同语言.假设，A、B双方欲传输文件。规定：

第一次: 传输文件名，接收方接收到文件名，应答OK给传输方；

第二次: 发送文件的尺寸，接收方接收到该数据再次应答一个OK；

第三次: 传输文件内容。同样，接收方接收数据完成后应答OK表示文件内 容接收成功。

 这种在A和B之间被遵守的协议称之为原始协议, 后来经过不断增加完善改进, 最终形成了一个稳定的完整的传输协议, 被广泛应用于各种文件传输, 该协议逐渐就成了一个标准协议.

几种常见的协议

传输层 常见协议有TCP/UDP协议。

应用层 常见的协议有HTTP协议，FTP协议。

网络层 常见协议有IP协议、ICMP协议、IGMP协议。

网络接口层 常见协议有ARP协议、RARP协议。

TCP传输控制协议（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。

UDP用户数据报协议（User Datagram Protocol）是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。

HTTP超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol）是互联网上应用最为广泛的一种网络协议

FTP文件传输协议（File Transfer Protocol）

IP协议是因特网互联协议（Internet Protocol）

ICMP协议是Internet控制报文协议（Internet Control Message Protocol）它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。

IGMP协议是 Internet 组管理协议（Internet Group Management Protocol），是因特网协议家族中的一个组播协议。该协议运行在主机和组播路由器之间。

ARP协议是正向地址解析协议（Address Resolution Protocol），通过已知的IP，寻找对应主机的MAC地址。

RARP是反向地址转换协议，通过MAC地址确定IP地址。

1.2分层模型

        

OSI是Open System Interconnection的缩写, 意为开放式系统互联. 国际标准化组织(ISO)制定了OSI模型, 该模型定义了不同计算机互联的标准, 是设计和描述计算机网络通信的基本框架.

网络分层 OSI 7层模型: 物数网传会表应 

• 物理层---双绞线，光纤（传输介质），将模拟信号转换为数字信号
• 数据链路层---数据校验，定义了网络传输的基本单位-帧 
• 网络层---定义网络，两台机器之间传输的路径选择点到点的传输
• 传输层---传输数据 TCP，UDP，端到端的传输  
• 会话层---通过传输层建立数据传输的通道. 
• 表示层---编解码，翻译工作.

应用层---为客户提供各种应用服务，email服务，ftp服务，ssh服务

 

1.3 数据通信过程

通信过程: 其实就是发送端层层打包, 接收方层层解包.

注意: 这些操作不是用户自己做的, 而是底层帮我们做好的.

1.4 网络应用程序的设计模式

        

• C/S设计模式优缺点：

优点:

客户端在本机上可以保证性能, 可以将数据缓存到本地, 提高数据的传输效率, 提高用户体验效果.

客户端和服务端程序都是由同一个开发团队开发, 协议选择比较灵活.

缺点:服务器和客户端都需要开发，工作量相对较大, 调试困难, 开发周期长;从用户的角度看, 需要将客户端安装到用户的主机上, 对用户主机的安 全构成威胁.

• B/S设计模式优缺点：

优点:

无需安装客户端, 可以使用标准的浏览器作为客户端;只需要开发服务器，工作量相对较小;

由于采用标准的客户端, 所以移植性好, 不受平台限制相对安全，不用安装软件

缺点:由于没有客户端, 数据缓冲不尽人意, 数据传输有限制, 用户体验较差;通信协议选择只能使用HTTP协议，协议选择不够灵活;

1.5 以太网帧格式

        以太网帧格式就是包装在网络接口层(数据链路层)的协议。

 以ARP为例介绍以太网帧格式

        

目的端mac地址是通过发送端发送ARP广播, 接收到该ARP数据的主机先判断是否是自己的IP, 若是则应答一个ARP应答报文, 并将mac地址填入应答报文中; 若目的IP不是自己的主机IP, 则直接丢弃该ARP请求报文. 

详细讲解ARP协议

        

 IP段格式

 IP段格式

16位总长度: 最大65536

8位生存时间ttl(网络连接下一跳的次数): 为了防止网络阻塞

32位源ip地址, 共个4字节！我们熟悉的ip都是点分十进制的，4字节, 每字节对应一个点分位，最大为255 ，实际上就是整形数！

32位目的ip地址 

8位协议: 用来区分上层协议是TCP, UDP, ICMP还是IGMP协议.

16位首部校验和: 只校验IP首部, 数据的校验由更高层协议负责.

UDP数据报格式

        通过IP地址来确定网络环境中的唯一的一台主机;

        主机上使用端口号来区分不同的应用程序.

        IP+端口唯一确定唯一一台主机上的一个应用程序.

TCP数据流格式:

稳定的, 安全的, 可靠的

序号: TCP是安全可靠的, 每个数据包都带有序号, 当数据包丢失的时候, 需要重传, 要使用序号进行重传. 控制数据有序, 丢包重传.

确认序号: 使用确认序号可以知道对方是否已经收到了, 通过确认序号可以知道哪个序号的数据需要重传.

16位窗口大小--滑动窗口(主要进行流量控制)

1.6网络名词术语解析(自行阅读扫盲)

2 SOCKET编程

        传统的进程间通信借助内核提供的IPC机制进行, 但是只能限于本机通信, 若要跨机通信, 就必须使用网络通信.( 本质上借助内核-内核提供了socket伪文件的机制实现通信----实际上是使用文件描述符), 这就需要用到内核提供给用户的socket API函数库.

        

既然提到socket伪文件, 所以可以使用文件描述符相关的函数read write

可以对比pipe管道讲述socket文件描述符的区别.

使用socket会建立一个socket pair.

如下图, 一个文件描述符操作两个缓冲区, 这点跟管道是不同的, 管道是两个文件描述符操作一个内核缓冲区.

 

 2.1 socket编程预备知识

网络字节序:

大端和小端的概念

大端: 低位地址存放高位数据, 高位地址存放低位数据

小端: 低位地址存放低位数据, 高位地址存放高位数据

大端和小端的使用使用场合???

大端和小端只是对数据类型长度是两个及以上的, 如int  short, 对于单字节 没限制, 在网络中经常需要考虑大端和小端的是IP和端口.

思考题: 0x12345678如何存放???

如何验证本机上大端还是小端??-----使用共用体.

编写代码endian.c进行测试, 测试本机上是大端模式还是小端模式?

网络传输用的是大端法, 如果机器用的是小端法, 则需要进行大小端的转换.

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

union{
     short s;
     char c[sizeof(short)];
} un2;

union {
     int s;
     char c[sizeof(int)];
} un4;



int main()
{

     printf("[%d][%d][%d]\n",sizeof(short),sizeof(int),sizeof(long int));

     //测试short 类型
     un2.s=0x0102;
     printf("%d,%d,%d\n",un2.c[0],un2.c[1],un2.s);

     //测试 int 类型
     // un4.s=0x01020304;
     un4.s=0x1245678;
     printf("%d,%d,%d,%d\n",un4.c[0],un4.c[1],un4.c[2],un4.c[3],un4.s);





 
  return 0;
}

#include 
#include 
int main(int argc, char **argv)
{
    union {
        short s;
        char c[sizeof(short)];
    } un;
    un.s = 0x0102;
    if(sizeof(short)==2) 
	{
        if(un.c[0]==1 && un.c[1] == 2)
		{
            printf("big-endian\n");
		}
        else if (un.c[0] == 2 && un.c[1] == 1)
		{
            printf("little-endian\n");
		}
        else
		{
            printf("unknown\n");
		}
    } 
	else
	{
        printf("sizeof(short)= %d\n",sizeof(short));
	}

	return 0;
}

下面4个函数就是进行大小端转换的函数:

   #include

       uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

       uint16_t htons(uint16_t hostshort);

       uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

       uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

函数名的h表示主机host, n表示网络network, s表示short, l表示long

上述的几个函数, 如果本来不需要转换函数内部就不会做转换.

P地址转换函数:

p->表示点分十进制的字符串形式

to->到

n->表示network网络

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

函数说明: 将字符串形式的点分十进制IP转换为大端模式的网络IP(整形4字节数)

参数说明:

af: AF_INET

src: 字符串形式的点分十进制的IP地址

dst: 存放转换后的变量的地址

例如: inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv.sin_addr.s_addr);

手工也可以计算: 如192.168.232.145, 先将4个正数分别转换为16进制数,

192--->0xC0  168--->0xA8   232--->0xE8   145--->0x91

最后按照大端字节序存放: 0x91E8A8C0, 这个就是4字节的整形值.

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

函数说明: 网络IP转换为字符串形式的点分十进制的IP

参数说明:

af: AF_INET

src: 网络的整形的IP地址

dst: 转换后的IP地址,一般为字符串数组

size: dst的长度

返回值:

成功--返回指向dst的指针

失败--返回NULL, 并设置errno

例如: IP地址为010aa8c0, 转换为点分十进制的格式:

01---->1    0a---->10   a8---->168   c0---->192

由于从网络中的IP地址是高端模式, 所以转换为点分十进制后应该为: 192.168.10.1

socket编程用到的重要的结构体:struct sockaddr

struct sockaddr结构说明:

   struct sockaddr {

        sa_family_t sa_family;

        char     sa_data[14];

   }

struct sockaddr_in结构:

struct sockaddr_in {

         sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */

         in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */

         struct in_addr sin_addr;   /* internet address */

   };

   /* Internet address. */

   struct in_addr {

         uint32_t  s_addr;     /* address in network byte order */

   };  //网络字节序IP--大端模式

通过man 7 ip可以查看相关说明

2.2 socket编程主要的API函数介绍

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

函数描述: 创建socket

参数说明:

domain: 协议版本

AF_INET IPV4

AF_INET6 IPV6

AF_UNIX AF_LOCAL本地套接字使用

type:协议类型

SOCK_STREAM 流式, 默认使用的协议是TCP协议

SOCK_DGRAM  报式, 默认使用的是UDP协议

protocal:

一般填0, 表示使用对应类型的默认协议.

返回值:

成功: 返回一个大于0的文件描述符

失败: 返回-1, 并设置errno

当调用socket函数以后, 返回一个文件描述符, 内核会提供与该文件描述符相对应的读和写缓冲区, 同时还有两个队列, 分别是请求连接队列和已连接队列.

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

函数描述: 将socket文件描述符和IP,PORT绑定

参数说明:

socket: 调用socket函数返回的文件描述符

addr: 本地服务器的IP地址和PORT,

struct sockaddr_in serv;

serv.sin_family = AF_INET;

serv.sin_port = htons(8888);

//serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

//INADDR_ANY: 表示使用本机任意有效的可用IP

inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv.sin_addr.s_addr);

addrlen: addr变量的占用的内存大小

返回值:

成功: 返回0

失败: 返回-1, 并设置errno

int listen(int sockfd, int backlog);

函数描述: 将套接字由主动态变为被动态

参数说明:

sockfd: 调用socket函数返回的文件描述符

backlog: 同时请求连接的最大个数(还未建立连接)

返回值:

成功: 返回0

失败: 返回-1, 并设置errno

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

函数说明:获得一个连接, 若当前没有连接则会阻塞等待.

函数参数:

sockfd: 调用socket函数返回的文件描述符

addr: 传出参数, 保存客户端的地址信息

addrlen: 传入传出参数,  addr变量所占内存空间大小

返回值:

成功: 返回一个新的文件描述符,用于和客户端通信

失败: 返回-1, 并设置errno值.

accept函数是一个阻塞函数, 若没有新的连接请求, 则一直阻塞.

从已连接队列中获取一个新的连接, 并获得一个新的文件描述符, 该文件描述符用于和客户端通信.  (内核会负责将请求队列中的连接拿到已连接队列中)

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

函数说明: 连接服务器

函数参数:

sockfd: 调用socket函数返回的文件描述符

addr: 服务端的地址信息

addrlen: addr变量的内存大小

返回值:

成功: 返回0

失败: 返回-1, 并设置errno值

接下来就可以使用write和read函数进行读写操作了.

除了使用read/write函数以外, 还可以使用recv和send函数

读取数据和发送数据:

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

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

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

对应recv和send这两个函数flags直接填0就可以了.

注意: 如果写缓冲区已满, write也会阻塞, read读操作的时候, 若读缓冲区没有数据会引起阻塞.

使用socket的API函数编写服务端和客户端程序的步骤图示:

根据服务端和客户端编写代码的流程, 编写代码并进行测试.

测试过程中可以使用netstat命令查看监听状态和连接状态

netstat命令:

a表示显示所有,

n表示显示的时候以数字的方式来显示

p表示显示进程信息(进程名和进程PID)

作业:

自己编写代码熟悉一下服务端和客户端的代码开发流程;

设计服务端和客户端通信协议(属于业务层的协议)如发送结构体

typedef struct teacher_{
    int tid;
    char name[30];
    int age;
    char sex[30];
    int sal;
} teacher;

typedef struct student_{
    int sid;
    char name[30];
    int age;
    char sex[30];
}student;


typedef struct SendMsg_{
    int type;//1 - teacher;2 - student
    int len;//
    char buf[0];//变长发送数据
}SendMsg;

服务端

#include 
#include 
#include 
#include 
#include  //toupper() 函数的使用
#include 
#include 
#include 

// #service code

int main()
{

     // 1.create socket 
     int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
     if (lfd < 0)
     {
          perror("socket error");
          return -1;
     }

     struct sockaddr_in serv;
     bzero(&serv, sizeof(serv));
     serv.sin_family = AF_INET;
     serv.sin_port = htons(8888);              // not chose 1024之前的结果。将高端字节序转换成网络字节序。
     serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 表示使用本级的任意ip
     // 2.bind
     int ret = bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv));

     if (ret < 0)
     {
          perror("bind error");
          return -1;
     }

     // 3.listen 监听数据
     listen(lfd, 128);

     struct sockaddr_in client;
     socklen_t len=sizeof(client);
     int cfd=accept(lfd,(struct sockaddr *)&client,&len);//len 是一个输入输出参数
     char sIP[16];
     printf("client -->IP:[%s],client -->Port:[%d]\n",inet_ntop(AF_INET,&client.sin_addr.s_addr,sIP,sizeof(sIP)),ntohs(client.sin_port));
     // 4.accept accept 不是新建一个连接，而是从一个连接里面拿出来一个连接出俩而已
     int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);

     printf("lfd==[%d],cfd==[%d]\n", lfd, cfd);

     // while() read write
     int n = 0;
     int i = 0;
     char buf[1024];
     // while(" nihao
     while (1)
     {

          // 读数据
          memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
          n = read(cfd, buf, sizeof(buf)); // 阻塞函数
          if (n <= 0)
          {

               printf("read error or client connection close\n", n);
          }
          printf("n==[%d],buf==[%s]\n", n, buf);
          for (i = 0; i < n; i++)
          {
               buf[i] = toupper(buf[i]);
          }
     }

     // write data
     write(cfd, buf, n);

     // 关闭监听文件描述符和通信文件描述符
     close(lfd);
     close(cfd);

     return 0;
}

客户端

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

int main()
{
     // 创建socket --用于和服务端进行通信
     int cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
     if (cfd < 0)
     {
          perror("socket error");
          return -1;
     }

     // 连接服务器  int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
     //      socklen_t addrlen);
     struct sockaddr_in serv;
     serv.sin_family = AF_INET;
     serv.sin_port = htons(8888);
     inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv.sin_addr.s_addr);
     int id = connect(cfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv));

     if (id < 0)
     {
          perror("connection error");
          return -1;
     }
     int n = 0;
     char buf[256];

     while (1)
     {

          // 读标准输入数据
          memset(buf, 0x00, sizeof(buf));

          n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));

          // 发送数据

          write(cfd, buf, n);

          // 读服务端发过来读数据
          memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
          n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));

          if(n<=0){
               printf("read error or service close,n==[%d]",n);
               return -1;
          }

          printf("n==[%x],buf==[%s]\n", n, buf);
     }

     //关闭a套接字
     close(cfd);

     return 0;
}

测试：

1.0 使用nc -ip -port 测试

开启一个shell 服务端先开启

另外开启一个shell 客户端 

2.0 使用客户端的代码测试

使用客户端的代码测试，等待一分钟，开启服务端代码，再另建一个窗口开启客户端代码，最后卡其通信测试一下。

客户端的代码

服务端的代码

补充：

端口对应的表