TCP / UDP 概念 + 实验(计网自顶向下)

Github源码

moranzcw/Computer-Networking-A-Top-Down-Approach-NOTES: 《计算机网络－自顶向下方法(原书第6版)》编程作业，Wireshark实验文档的翻译和解答。 (github.com)

暂定打算分2步走，前置是中科大对应计网黑书的视频

第1步完成14个WireShark实验，5个课后实验（共19个计网实验）

第2步，还有时间的话，cs144的实验跟一遍，没时间就直接开始tinyWebserver

目录

关于 Socket

预习 TCP

概念

原理

结构体

部分代码

（1）服务器的Socket编程  -- sockaddr_in

（2）客户端的Sockets编程 -- hostent

预习 UDP

（1）客户端 UDP Socket

（2）服务器 UDP Socket

TCP套接字(实验1)

（1）过程

（2）代码

（3）详细解释

服务器

客户端

UDP套接字(实验2)

---

关于 Socket

Socket，即“套接字”，是计网中通信的一种机制。

它提供的接口，使得app不用关心底层协议的细节。

（1）功能上

实现进程间数据传输，不同计算机的交互。

可用于实现 C / S 模型（client / server）（客户端 / 服务器）

实现对等通信模型（P2P）

（2）网络层次上

位于应用层和传输层之间。

它通过封装传输层的协议（TCP / UDP），为应用层提供统一的接口。

将应用层数据包装成传输层数据报文，发送到网络，

同时也接受传输层的数据报文，解析后交给应用层处理。

（3）协议栈上

Socket是基于网络协议栈的接口，位于app与OS内核之间。

app通过Socket API调用函数，向OS内核发送请求，

内核根据Socket API指定的网络协议（TCP / UDP），使用对应协议栈完成传输和接受。

预习 TCP

概念

socket 原意是插口，每个插口对应一个编号

插口就是 socket 服务（插孔对应的编号就是端口号，插头也是一个 socket 服务）

Socket（套接字）到底是什么呢？

（1）所以，socket 即两个应用程序通过一个双向的通信连接实现数据交换，连接的这一段就是 socket（又称 套接字）

（2）套接字：网络中不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点的抽象，一个 套接字，就是网络上进程通信的一端（上联应用进程，下联网络协议栈）

（3）进程间通信的API(应用程序编程接口)，也是可以被命名和寻址的通信端点

（4）由 IP地址 和 端口 结合，提供向应用层进程传送数据包的机制

实现一个 socket 连接通信至少需要 2 个套接字，一个运行在服务端（插孔），一个运行在客户端（插头）

Socket 是应用层 与 传输层（TCP/IP协议簇）的抽象中间层 

不同于OSI模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中。

• 应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等
• 传输层：TCP，UDP
• 网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP
• 数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

Socket是什么 - 简书 (jianshu.com)

【网络编程知识】什么是Socket？概念及原理分析-云社区-华为云 (huaweicloud.com)

原理

场景

打电话给女朋友要先拨号，女朋友听到响铃会拿起电话，此时按时你就和女朋友建立了连接，就可以通话了。

交流完后，挂断电话结束本次交流。

原理

漏了个，客户端 close()后，服务端还有个 read()，然后服务端最后 close()

“3次握手，4次挥手”及相关细节补充

TCP和UDP的传输过程以及二者之间的区别_数据通信分tcp和udp,属于什么过程-CSDN博客

TCP和UDP的区别 - notes (gitbook.io)

结构体

数据结构1

数据结构2

部分代码

（以下是GPT给的代码，Windows下，codeblocks里无法运行 --

-- 需要到Linux下运行。此处只是对原理进行代码解释）

（1）服务器的Socket编程  -- sockaddr_in

struct sockaddr_in {
    short sin_family;  // 地址族，一般为AF_INET（IPv4）
    unsigned short sin_port;  // 端口号
    struct in_addr sin_addr;  // IPv4地址
    char sin_zero[8];  // 填充字段，通常不需要使用
};

#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 创建socket
    int serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 设置服务器地址和端口
    sockaddr_in serverAddress{};
    serverAddress.sin_family = AF_INET;  // 地址族为IPv4
    serverAddress.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 使用本地任意可用IP地址
    serverAddress.sin_port = htons(8080);  // 监听8080端口

    // 绑定socket到服务器地址和端口
    bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&serverAddress, sizeof(serverAddress));

    // 监听连接请求
    listen(serverSocket, 5);

    std::cout << "Server started. Waiting for connections..." << std::endl;

    while (true) {
        // 接受客户端连接
        sockaddr_in clientAddress{};
        socklen_t addrSize = sizeof(clientAddress);
        int clientSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&clientAddress, &addrSize);

        std::cout << "New connection accepted" << std::endl;

        // 读取客户端发来的数据
        char buffer[1024];
        ssize_t bytesRead = recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
        std::cout << "Received message: " << buffer << std::endl;

        // 向客户端发送响应数据
        const char* response = "Hello from server!";
        send(clientSocket, response, strlen(response), 0);

        // 关闭客户端连接
        close(clientSocket);
    }

    // 关闭服务器socket
    close(serverSocket);

    return 0;
}

（2）客户端的Sockets编程 -- hostent

struct hostent {
    char* h_name;           // 官方名称
    char** h_aliases;       // 别名列表
    int h_addrtype;         // 地址类型（一般为AF_INET）
    int h_length;           // 地址长度（一般为4字节）
    char** h_addr_list;     // IP地址列表
};

#include 
#include 
#include 

int main() {
    const char* hostname = "www.example.com";

    // 通过主机名获取hostent结构体
    struct hostent* host = gethostbyname(hostname);
    if (host == nullptr) {
        std::cerr << "Failed to get host information" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 输出主机名和别名
    std::cout << "Hostname: " << host->h_name << std::endl;
    for (char** alias = host->h_aliases; *alias != nullptr; ++alias) {
        std::cout << "Alias: " << *alias << std::endl;
    }

    // 输出IP地址
    for (char** address = host->h_addr_list; *address != nullptr; ++address) {
        sockaddr_in* addr = reinterpret_cast(*address);
        std::cout << "IP Address: " << inet_ntoa(addr->sin_addr) << std::endl;
    }

    return 0;
}

预习 UDP

UDP是面向无连接的协议，不需要像TCP一样建立连接和关闭连接。因此，UDP服务器和客户端都只需分别创建一个socket，并通过sendto()和recvfrom()发送和接收数据，不需要调用accept()和bind()函数

代码源于GPT，需要在Linux下运行 （此处只供学习，不一定能跑通）

结构体

struct sockaddr_in {
    short sin_family;  // 地址族，一般为AF_INET（IPv4）
    unsigned short sin_port;  // 端口号
    struct in_addr sin_addr;  // IPv4地址
    char sin_zero[8];  // 填充字段，通常不需要使用
};

（1）客户端 UDP Socket

#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 创建socket
    int clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    // 设置服务器地址和端口
    sockaddr_in serverAddress{};
    serverAddress.sin_family = AF_INET;  // 地址族为IPv4
    serverAddress.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  // 服务器IP地址
    serverAddress.sin_port = htons(8080);  // 服务器端口号

    // 发送消息到服务器
    const char* message = "Hello from client!";
    sendto(clientSocket, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr*)&serverAddress, sizeof(serverAddress));

    // 接收服务器响应
    char buffer[1024];
    ssize_t bytesRead = recvfrom(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0, nullptr, nullptr);
    std::cout << "Received response: " << buffer << std::endl;

    // 关闭客户端socket
    close(clientSocket);

    return 0;
}

（2）服务器 UDP Socket

#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    // 创建socket
    int serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    // 设置服务器地址和端口
    sockaddr_in serverAddress{};
    serverAddress.sin_family = AF_INET;  // 地址族为IPv4
    serverAddress.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 使用本地任意可用IP地址
    serverAddress.sin_port = htons(8080);  // 监听8080端口

    // 绑定socket到服务器地址和端口
    bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&serverAddress, sizeof(serverAddress));

    std::cout << "Server started. Waiting for messages..." << std::endl;

    while (true) {
        // 接收客户端消息
        char buffer[1024];
        sockaddr_in clientAddress{};
        socklen_t addrSize = sizeof(clientAddress);
        ssize_t bytesRead = recvfrom(serverSocket, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&clientAddress, &addrSize);
        std::cout << "Received message from " << inet_ntoa(clientAddress.sin_addr) << ":" << ntohs(clientAddress.sin_port) << std::endl;
        std::cout << "Message: " << buffer << std::endl;

        // 向客户端发送响应数据
        const char* response = "Hello from server!";
        sendto(serverSocket, response, strlen(response), 0, (struct sockaddr*)&clientAddress, addrSize);
    }

    // 关闭服务器socket
    close(serverSocket);

    return 0;
}

TCP套接字(实验1)

（1）过程

1，vscode先配置py环境

2，搞乱了需要彻底重装：如何完全重置或卸载vscode_哔哩哔哩_bilibili

3，Github源码git clone到本地，解压缩，并导入vscode

4，打开cmd，ipconfig查看ip 地址，找到IPv4的ip地址，作为代码中的 ip 地址

5，新打开2个cmd

对应目录下运行，服务器和客户端代码

可以看到，第一次，ConnectionRefused，这时我们需要打开

网络共享 - Internet选项 - 连接 - 局域网设置 - 自动检测设置(✔)

Python报错：ConnectionRefusedError: [WinError 10061] 由于目标计算机积极拒绝，无法连接。_有无目标计算机积极拒绝，无法连接网络-CSDN博客

Client

Server

可是当我第2次TCP时，又拒绝连接，再次python运行才成功，也许有一定几率拒绝？

（2）代码

TCPClient.py

from socket import *
serverName = '192.168.15.1' # 本地IPv4地址，ipconfig得到
serverPort = 12000
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) # 建立TCP套接字，使用IPv4协议
clientSocket.connect((serverName,serverPort)) # 向服务器发起连接

sentence = input('Input lowercase sentence:').encode() # 用户输入信息，并编码为bytes以便发送
clientSocket.send(sentence) # 将信息发送到服务器
modifiedSentence = clientSocket.recvfrom(1024) # 从服务器接收信息
print(modifiedSentence[0].decode()) # 显示信息
clientSocket.close() # 关闭套接字

TCPServer.py

from socket import *
serverPort = 12000
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) # 创建TCP欢迎套接字，使用IPv4协议
serverSocket.bind(('',serverPort)) # 将TCP欢迎套接字绑定到指定端口
serverSocket.listen(1) # 最大连接数为1
print("The server in ready to receive")

while True:
	connectionSocket, addr = serverSocket.accept() # 接收到客户连接请求后，建立新的TCP连接套接字
	print('Accept new connection from %s:%s...' % addr)
	sentence = connectionSocket.recv(1024) # 获取客户发送的字符串
	capitalizedSentence = sentence.upper() # 将字符串改为大写
	connectionSocket.send(capitalizedSentence) # 向用户发送修改后的字符串
	connectionSocket.close() # 关闭TCP连接套接字

（3）详细解释

服务器

1，关于端口号 port 

常用的端口号范围是从0到65535，其中0到1023是被保留给一些特定的服务（如HTTP的端口80、HTTPS的端口443等），而1024到65535是可供自由使用的端口范围

端口号用于标识特定的应用程序或服务

当您编写服务器端代码时，可以通过指定一个特定的端口号来监听客户端的连接请求

常见的做法是选择一个未被常用服务占用的端口号，例如12000、8080 

在服务器端代码中指定一个合适的端口号来监听连接请求，然后在客户端程序中使用相同的端口号来连接服务器。这样，客户端和服务器之间就可以通过指定的端口号进行通信。

2， 详细流程

在目录 - 预习TCP - 原理，进行回顾

3，

serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM) # 创建TCP欢迎套接字，使用IPv4协议

1. socket() 函数是用来创建套接字的系统调用。它接受两个参数：地址族（Address Family）和套接字类型（Socket Type）。

2. AF_INET 参数指定了使用 IPv4 地址族，表示将使用 IPv4 地址来进行网络通信。

3. SOCK_STREAM 参数指定了套接字的类型为流式套接字（TCP），它提供了可靠的、面向连接的、基于字节流的数据传输。

4. serverSocket 是一个变量，用于存储创建的服务器端套接字

套接字，即 ip 地址和 端口号的整合。ip 地址标识主机，端口号表示应用程序或通信端口。

4， 

serverSocket.bind(('',serverPort)) # 将TCP欢迎套接字绑定到指定端口

1. bind() 函数是用来将套接字绑定到一个特定的地址和端口号上的系统调用。它接受1个参数：IP 地址和端口号 的集合。

2. '' 参数表示将服务器端套接字绑定到所有可用的网络接口上。这样，服务器就可以监听来自任何 IP 地址的客户端连接请求。

3. serverPort 参数表示将服务器端套接字绑定到指定的端口号上

5，

connectionSocket, addr = serverSocket.accept() # 接收到客户连接请求后，建立新的TCP连接套接字

1. connectionSocket：这是一个新创建的已连接套接字对象，它用于实际的数据传输。通过这个套接字，服务器可以与特定的客户端进行通信。服务器可以使用 connectionSocket 来发送和接收数据，以满足客户端的请求或提供服务。

2. addr：这是客户端的地址信息，包含了客户端的 IP 地址和端口号。通常，它是一个元组，例如 (clientIP, clientPort)。通过获取客户端地址，服务器可以知道是哪个客户端发起了连接请求，可以根据需要记录日志、进行身份验证等操作

6， 

print('Accept new connection from %s:%s...' % addr)

1. % 是字符串格式化操作符，用于将变量的值插入到字符串中的占位符位置。

2. 'Accept new connection from %s:%s...' 是要打印的字符串，其中 %s 是占位符。

3. % addr 是一个元组，在字符串中的 %s 占位符位置被 addr 中的值替换。addr 是客户端的地址信息，通常是一个包含客户端 IP 地址和端口号的元组。

4. 打印结果将显示为类似于 Accept new connection from 192.168.0.1:5000... 的形式，其中 192.168.0.1 是客户端的 IP 地址，5000 是客户端的端口号

7，

sentence = connectionSocket.recv(1024) # 获取客户发送的字符串

1. connectionSocket 是一个已连接的套接字对象，它用于与特定客户端进行通信。

2. recv(1024) 是一个阻塞调用，它会从已连接套接字中接收最多 1024 字节的数据。如果客户端发送的数据量超过 1024 字节，则可能需要多次调用 recv() 来完整接收所有数据。

3. setence 是一个变量，用于存储接收到的客户端数据（字符串）。

4. 该行代码将等待，直到客户端发送数据或者客户端关闭连接。一旦有数据到达，它将被接收并存储在 setence 变量中

8，Client有connect()，而Server没有connect()的解释

1. TCP Server：

   • TCP 服务器通常处于被动等待状态，它通过监听指定的端口，等待客户端的连接请求。
   • 一旦有客户端发送连接请求，服务器会接受该连接并创建一个新的套接字，即已连接套接字（Connected Socket）。
   • 已连接套接字与特定客户端建立了一对一的通信管道，可以进行双向的数据传输。
   • 在服务器端，已连接套接字用于与客户端进行通信，无需显式地调用 connect 方法。

2. TCP Client：

   • TCP 客户端主动发起连接请求，它需要知道服务器的 IP 地址和端口号。
   • 客户端使用 connect 方法来连接到服务器指定的 IP 地址和端口。
   • connect 方法会在客户端和服务器之间建立一条连接，并返回一个已连接套接字。
   • 客户端通过已连接套接字与服务器进行通信，发送请求并接收响应

客户端

1，

sentence = input('Input lowercase sentence:').encode() # 用户输入信息，并编码为bytes以便发送

1. input('Input lowercase sentence:')：这是一个输入函数，它会在控制台中显示提示信息"Input lowercase sentence:"并等待用户输入。用户可以输入一个小写句子。

2. 用户输入后，input 函数会返回用户输入的内容作为字符串。

3. .encode()：对返回的字符串进行编码操作。在这里，使用默认的UTF-8编码将字符串转换为字节序列。编码后的字节序列可以被网络传输或存储。

4. 最终，编码后的字节序列被赋值给变量 sentence。现在，sentence 变量中存储的是用户输入的小写句子经过编码后的字节表示形式

2，将接收到的字节序列转换为字符串并在控制台中显示

print(modifiedSentence[0].decode()) # 显示信息

1. modifiedSentence[0]：这是一个从 modifiedSentence 字节序列中获取第一个元素的操作。在网络通信中，通常会将接收到的数据作为字节序列进行处理，因此需要使用字节序列的索引来访问其中的元素。

2. .decode()：对字节序列进行解码操作。在这里，使用默认的UTF-8编码将字节序列转换为字符串。解码后的字符串可以在控制台中显示

UDP套接字(实验2)

UDP连接比TCP少了个 监听 listen()，函数从 sent() 变成了 sendto()，建立的套接字是UDP的

服务器

from socket import *
serverPort = 12000 # 自己指定的端口
serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) # 使用IPv4协议，创建UDP套接字
serverSocket.bind(('', serverPort)) # 套接字绑定到指定端口
print('The server is ready to receive')
while True:
    message, clientAddress = serverSocket.recvfrom(2048) # 接受客户端信息，获取客户端地址
    modifiedMessage = message.upper() # 客户端发来的字符串变大写
    serverSocket.sendto(modifiedMessage, clientAddress) # 通过客户端地址，将字符串发送回客户端

客户端

from socket import *
serverName = '192.168.15.1' # IPv4 的服务器地址
serverPort = 12000 # 人为指定的端口号
clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) # 使用IPv4协议，创建UDP套接字
message = input('Input lowercase sentence:').encode() # 用户输入，并编码为bytes以便发送
clientSocket.sendto(message, (serverName, serverPort)) # 套接字发送到服务器
modifiedMessage, serverAddress = clientSocket.recvfrom(2048) # 从服务器接受字符串和地址
print(modifiedMessage.decode()) # 显示服务器返回的信息
clientSocket.close() 

效果和过程，与TCP类似