Linux网络编程基础知识

网络编程

• 本质：
  • 使用操作系统的接口函数，使得应用程序具备收发网络数据的能力
• 核心概念
  • 协议：为进行数据通信而预定义的数据规则
  • 地址：网络通信中的用于标识设备的整数值
  • 端口号：
    • 设备为收发数据而指定的数值，用于标识具体链接
    • 可理解为：设备中用于网络通信的数据通道
  • 角色
    • 服务端：等待连接的设备
    • 客户端：发起连接的设备

网络基本知识

• 网址不是IP地址，是网络信息资源的地址，即：URL
• 域名是IP地址的别名，多个域名可指向同一个IP地址
• 协议是一种约定，即：预先定义的规则
• 协议可以基于文本定义，也可以基于二进制定义

字节序

本质

• 不同类型CPU主机，内存存储 多字节整数 序列的方式。
  • char，字符串，float，double均没有字节序的说法
  • short, int, long , long long 有字节序的说法。

小端系统

• 采用小端模式（little-endian）的系统，即：数据低字节放在系统内存低地址

大端系统

• 采用大端系统（big-endian）的系统，即：数据低字节放在内存高地址中

网络字节序

• 网络字节顺序采用大端模式，所以在小端系统中需要做字节序转换

利用union的性质判断系统大小端

int system_mode()
{
	union SM
	{
		int i;
		char c;
	};
	
	union SM sm;
	sm.i = 1;
	
	return sm.c;
}

int main()
{
	printf("System Mode: %d\n", system_mode());
    //返回1为小端，返回0为大端
	return 0;
}

关于端口号和IP地址

端口号

• 端口号是一个2字节数据
• 为了区分一台主机收到的数据包交给哪个进程处理，使用端口号来区分。程序启动后将端口号和进程绑定在一起。
• 网络里面的通讯是由 IP地址+端口号 来决定
• 0 - 1023作为特定端口被预定义（分配给特定应用程序）
  • 使用被预定义的端口号会导致bind失败
• 临时端口号：49152~65535，这部分是客户端运行时候动态选择的
• 可以使用的：1024~49151，就是我们平时编写服务器使用的端口号
• TCP和UDP的端口号互相独立

IP地址

	IP地址范围	网络号个数	主机号个数
A类地址	0.0.0.0~127.255.255.255	2^7（网络号）	2^24（主机号）	大型网络
B类地址	128.0.0.0~191.255.255.255	2^14	2^16	名地址网管中心
C类地址	192.0.0.0~223.255.255.255	2^21	2^8	校园网或企业网、家庭网
D类地址	224.0.0.0~239.255.255.255			组播地址
E类地址	240.0.0.0~255.255.255.255			保留

• IP地址是一个4字节地址族（可分为5类地址）
  • 将32位IP地址的二进制数，以8bit为一组，用十进制表示，利用点分割。
  • D类常用于多播（无网络号和主机号分配）
  • E类常用于实验（无网络号和主机号分配）
• IP地址分为网络标识和主机标识两部分（网络标识=网络号，主机标识同理）
  • 网络标识：标识网络设备所在网络
  • 主机标识：标识网络设备具体地址
• 特殊IP地址
  • 0.0.0.0 / 0
    • 保留，常用于代表“缺省网络”
  • 127.0.0.0 / 8
    • 回环地址，常用于本地软件回送测试
  • 255.255.255.255 / 32
    • 广播地址
  • 每个子网段的第1个IP地址
    • 子网网号
  • 每个子网段的最后一个IP地址
    • 广播地址
  • 局域网内第二个IP地址
    • 网关IP
• 私有IP地址：不在公网使用，只在内网使用
  • 10.0.0.0 - 10.255.255.255 / 8
  • 172.16.0.0 - 172.31.255.255 / 16
  • 192.168.0.0 - 192.168.255.255 / 24

子网掩码

• IP地址和子网掩码配合使用区分网络标识和主机标识
• 子网掩码的表现形式也是一个四字节的整型数
• 子网掩码用于从IP地址中提取网络标识
• 子网掩码
  • 用于将一个大的IP网络中的主机号划分为若干小的子网络（常用）。
  • 或者将若干个小网络组合成一个大的局域网（称之为超网技术）。
    • 指明一个IP地址的哪些位表示的是主机所在的子网
    • 指明哪些位表示的是主机的位掩码。
    • 子网掩码不能单独使用，必须结合IP地址一起使用
• 子网掩码的格式
  • 与IP地址一样长的32位无符号整数，是由一串连续的1，后面跟着一串连续的0组成。

计算子网可用IP地址

• 设子网掩码为(M.N.P.Q)
• 子网可用IP地址n = (256-M) * (256-N) * (256-P) * (256-Q) - 3

域名系统

• 域名本质就是IP地址的别名，一个域名可以对应多个IP地址

域名结构

• 例如域名 www.baidu.com.cn 从右向左看
  • cn为高级域名，也叫一级域名，它通常分配给主干节点，取值为国家名，cn代表中国
  • com为网络名，属于二级域名，它通常表示组织或部门
  • 中国互联网二级域名共40个，edu表示教育部门，com表示商业部门，gov表示政府，军队mil等等
  • baidu为机构名，在此为三级域名，表示百度
  • www：万维网world wide web，也叫环球信息网，是一种特殊的信息结构框架。

TCP/IP分层结构

• 应用层
  • 各个应用程序可以定义（使用）各种各样的协议
  • 编码后发送字符串数据
  • 收到字符串数据，根据约定解码
• 传输层
  • 确保发出的数据能够到达目标主机，完成数据传输
  • 将数据分包，加上标识头，序号等通用信息
  • 根据附加信息进行数据组包，恢复原始应用层数据形态
• 网络层
  • 填写数据包地址，选择数据传递路径
  • 加上收发地址信息，选择最佳传输路径
  • 解析二进制数据，恢复原始传输层数据形态
• 数据链路层
  • 融合不同连接方式的链路，屏蔽网络差异
  • 将数据封装并转换为二进制序列
  • 组装二进制数据，恢复原始网络层数据形态
• 物理层
  • 具体链接方式：有线，无线，光纤

特点

• 上层依赖接邻下层的能力，下层只为直接接邻上层服务
• 上层不知道下层的工作机制，下层不管上层传输的数据内容
• 不做跨层服务，层次结构中的角色缺一不可

网络层（IP层）

• IP寻址

  • IP地址属于网络层地址，用于标识网络上的主机

• 路由控制

  • 控制数据如何达到目标主机（如：需要经过哪些路由器转发）

• 无连接

  • 数据包根据IP地址在网络上传递（无需与目标实现建立连接）

• MAC地址

  • 物理地址，48bit全球唯一，网卡编号，网络设备的身份标识（cmd —> ipconfig/all），由厂商出厂后确定。
  • 数据链路层所使用的硬件地址。MAC地址与网络无关，出厂时写入到网络设备中。当主机从网络上每收到一个数据帧时，首先检查数据帧中的MAC地址。如果是发往本主机的数据帧则收下，之后进行其他的处理；否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理

• ICMP协议（Internet Control Management Protocol）

  • 英特网控制管理协议，ping检测网络就是用这个协议
  • 用于在IP主机、路由器之间传递控制消息

IP地址与MAC地址

• IP地址是动态的，不特定于某个具体的硬件（MAC地址隶属于具体硬件）
• IP地址是网络层使用的地址（用于跨网络投递数据包）
• MAC地址是数据链路层的地址（用于确定目标网络中接收数据的主机）
• 路由器中记录了本网络中主机IP地址与MAC地址的映射关系

ARP/RARP 地址解析协议/逆向地址解析协议

• ARP（Address Resolution Protocol）：通过ip地址获取其对应的mac地
• RARP（Reverse Address Resolution Protocol）：通过mac地址获取其对应的ip地址。
• PPP（Point to Point Protocol）协议：拨号协议（GPRS/3G/4G）
• MTU：最大传输单元 默认是1500bytes
• MSS：最大报文长度 默认是1460bytes

网络层信息的收发

• 为了将数据发给目标主机，所有主机都维护着一张路由表
• 路由表记录了IP数据包下一步应该发给哪个路由器

IP数据转发

• IP数据包转发才有的“尽力服务”策略
  • 尽力服务指会努力，但不保证结果
  • 转发时会通过附加信息检查数据合法性，但出现异常不会进行重发
  • 以包为单位进行转发，不保证到达（发出之后，石沉大海）

传输控制协议（TCP）

• TCP在协议实现上提供可靠数据传输，建立在IP数据转发之上
  • TCP不存在数据包的概念，实现了流式传输（数据如流水，无头无尾）
  • TCP内部有服务状态，能够精确知道数据是否已经发送成功，是否被接收，。。。
  • TCP在行为上可进行阻塞控制（网络环境变差时，能够调整数据发送速度）

UDP

• 完全继承网络层的工作方式
• 无需连接，直接指定IP地址和端口即可发送数据
• 监听固定端口，只要有数据，统统接收
• 不管网络情况，只要是数据统统可发送
• 不关心数据是否到达对端
• 限制数据包的大小，超出部分直接删除。

使用环境

• 对数据不敏感，需要实时性的场合（如：直播，实时游戏）
• 网络环境比较好的场合（如：物联网家居）
• 需要深度定制协议的场合（如：“不丢包”的UDP协议）