网络编程基础知识

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网络发展史

课程简介

课程共七天，旨在让大家对网络编程进行基本认识，并在Linux下实现多机通信。

学习形式以及要求

1. 授课方式：腾讯会议
2. 授课笔记：腾讯文档
3. 课堂要求：课时认真听讲，学习状态饱满，积极反馈，手机上交

4.课下要求：

按时完成作业  作业截止时间晚22.30

对课上知识点不懂的地方要大胆问！切忌似是而非、得过且过！

本门课程比较综合，需要把前面课程相应没学扎实的地方进行巩固

网络发展史

【腾讯文档】internet历史

百度安全验证

internet历史

一、局域网和广域网

1.局域网（LAN）

局域网的缩写是LAN，local area network，顾名思义，是个本地的网络，只能实现小范围短距离的网络通信。我们的家庭网络是典型的局域网。电脑、手机、电视、智能音箱、智能插座都连在路由器上，可以互相通信。局域网，就像是小区里的道路，分支多，连接了很多栋楼

2.广域网（Wan）

广域网（Wide Area Network）是相对局域网来讲的，局域网的传输距离比较近，只能是一个小范围的。如果需要长距离的传输，比如某大型企业，总部在北京，分公司在长沙，局域网是无法架设的。广域网，就像是大马路，分支可能少，但类型多，像国道、省道、高速、小道等，连接了很多大的局域网。

这时需要其它的解决方案。

第一，通过因特网，只需要办一根宽带，就实现了通信，非常方便，现在的宽带价格也比较便宜。

第二，通过广域网专线。

所以为了数据安全，不能连接因特网，需要用一条自己的专用线路来传输数据，这条线路上只有自己人，不会有其他人接入，且距离很远，这个网络就叫 “广域网”。

光猫

光猫是一种类似于基带modem（数字调制解调器）的设备，和基带modem不同的是接入的是光纤专线，是光信号。用于广域网中光电信号的转换和接口协议的转换，接入路由器，是广域网接入。

将光线插入左侧的灰色口，右侧网口接网线到路由器即可。

交换机与路由器

交换机（二层）：用于局域网内网的数据转发路由器（三层）：用于连接局域网和外网

路由器有二层交换机的功能，反之不成立，二层交换机没有IP分配和IP寻址的功能。

交换机各个口是平等的，所有接入的设备需要自己配置IP，然后组成局域网。

路由器需要区分WAN口和LAN口，WAN口是接外网的（从Modem出来的或者从上一级路由器出来的），LAN口是接内网的，现在路由器都带无线功能，本质上无线接入就是LAN。

二、IP地址

1、基本概念

1）IP地址是Internet中主机的标识,本质:  二进制

   IP地址一般分割为 ４个八位二进制的数（４字节－32位）

2）Internet中的主机要与别的机器通信必须具有一个IP地址

3）IP地址(长度)为32位（IPv4）,128位（IPv6），目前ipv6还未普及，主要学习ipv4

4）每个数据包都必须携带目的IP地址和源IP地址，路由器依靠此信息为数据包选择路由 

5）表示方法 :  点分十进制

点分十进制表示就是用4组从0~255的数字，来表示一个IP地址。  

2、ip地址划分(IPv4)

  二级划分  ip=网络号+主机号  

  网络号：网络号:表示是否在一个网段内,用于区分网段 （同一网段为同一局域网）表示是否在一个网段内（局域网）

  主机号：标识在本网段内的ID，同一局域网不能重复

主机号的第一个和最后一个都不能被使用，第一个作为网段号，最后一个最为广播地址。

A类：0开头，网络号七位，主机号24位（不能全0或全1，全0或全1是网段分隔）
网络号取值范围：1.0~127.255
主机号取值范围：1.0.0.1~126.255.255.254
A类：(0.0.0.0-127.255.255.255)（默认子网掩码：255.0.0.0）
第一个字节为网络号，后三个字节为主机号(一个字节占8位)。该类IP地址的最前面为“0”，因为网络号是8位,所以地址的网络号取值于 0~127之间(0000 0000)(0111 1111)。
一般用于大型网络,主机号取值在0 - 2 ^24之间.  127.0.0.1：本机回环地址    10

B类：10开头，网络号14位，主机号16位，每个网段最多65534个主机号
网络号取值范围：128.0~191.255
主机号取值范围：128.0.0.1~~191.255.255.254
B类：(128.0.0.0-191.255.255.255)（默认子网掩码：255.255.0.0）
前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“10”，所以地址的网络号取值于128~191之间。
一般用于中等规模网络。

C类：110开头，网络号21位，主机号8位，每个网段254个主机号
网络号取值范围：192.0.0~223.255.255
主机号取值范围：192.0.0.1~~223.255.255.254   
C类：(192.0.0.0-223.255.255.255)（子网掩码：255.255.255.0）
前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“110”，所以地址的网络号取值于192~223之间。
一般用于小型网络(一般教室使用的是C类)。

D类（组播地址）：224.0.0.1~~239.255.255.254
D类：(224.0.0.0- 239.255.255.255)是多播地址。
该类IP地址的最前面为“1110”，所以地址的范围取值于224~239之间。
一般用于组播用户，组播通信。

E类：保留待用   11110
E类：是保留地址。该类IP地址的最前面为“1111”，所以地址的取值取值于240~247之间。
一般是一些保密单位用得到，平时基本不会用到

主机号要求：掐头去尾，全0不行，全1不行

3、特殊地址

0.0.0.0：在服务器中，0.0.0.0指的是本机上的所有IPV4地址，如果一个主机有两个IP地址，192.168.1.1 和 10.1.2.1，并且该主机上的一个服务监听的地址是0.0.0.0,那么通过两个ip地址都能够访问该服务。

127.0.0.1：回环地址/环路地址，所有发往该类地址的数据包都应该被loop back。

4、命令：ifconfig 查看配置

5、子网掩码

● 子网掩码：是一个32位的整数，作用是将某一个IP划分成网络地址和主机地址；

● 子网掩码长度是和IP地址长度完全一样；

● 网络号全为1，主机号全为0；

将IP地址拆分成网络号和主机号

网络号：IP与子网掩码相与结果为网络号

公式：网段号=IP & MASK（子网掩码）

主机号：子网掩码取反，与IP相与为主机号

公式：主机号=IP&（~MASK）

A      255.0.0.0

B      255.255.0.0

C      255.255.255.0

例、

192.168.75.129

255.255.255.0

1100 0000 1010 1000 0100 1011 1000 0001.
1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000
 ip & 子网掩码 1& a=a  0&a=0
 192.168.75.0
 
 ip & (~子网掩码)
 1100 0000 1010 1000 0100 1011 1000 0001.
 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111
 0.0.0.129

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假设 ： 1000台计算机接入同一局域网，要求不能浪费ip

C类254、B类65534

子网号概念  二次组网

三级地址  ip=网络号+子网号+主机号  

  网络号+子网号  -  网段(网络地址)

2byte+6bit 10bit，B类网只用10位当作主机号

设置子网掩码（直接设置）

255.255.1111 1100 0000 0000

255.255.252.0

练习

练习1

已知一个子网掩码号为255.255.255.192，问，最多可以连接多少台主机？

62

练习2

某公司有四个部门：行政、研发1、研发2、营销，每个部门各30台计算机接入公司局域网交换机，如果要在192.168.1.0网段为每个部门划分子网，子网掩码应该怎么设置，每个子网的地址范围分别是什么？（4个部门之间不能通信）

255.255.255.192子网掩码

192.168.1.10 00 0000

192.168.1.10 00 0001→192.168.1.1011 1110 

192.168.1.129→192.168.1.190

192.168.1.01 000 0000

192.168.1.0100 0001→192.168.1.0111 1110

192.168.1.65→192.168.1.126

192.168.1.11 00 0000

192.168.1.1100 0001   192.168.1.1111 1110

192.168.1.193→192.168.1.254

192.168.1.00 00 0000

192.168.1.0000 0001  192.168.1.0011 1110

192.168.1.1→192.168.1.62

练习3

有两台电脑主机，在最少浪费IP地址的情况下，将172.16.14.4与172.16.13.2划归为同一网段，则子网掩码应该设置为？

172.16.14.4

172.16.0000 1110 .0000 0100

172.16.13.2

172.16.0000 1101.0000 0010

172.16.0000 11 10.0000 0100
172.16.0000 11 01.0000 0010

三、网络模型

1、网络的体系结构

1. 网络采用分而治之的方法设计，将网络的功能划分为不同的模块，以分层的形式有机组合在一起。
2. 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
3. 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
4. 两类非常重要的体系结构：OSI与TCP/IP

2、OSI模型

1. OSI模型是一个理想化的模型，尚未有完整的实现
2. OSI模型共有七层
3. OSI现阶段只用作教学和理论研究 
4. 

物 数 网 传 会 表 应

OSI模型
OSI模型是最理想的模型
物理层：传输的是bit流(0与1一样的数据)，物理信号，没有格式
链路层：格式变为帧（把数据分成包，一帧一帧的数据进行发送）
网络层：路由器中是有算法的，ip，（主机到主机）（路由的转发）
传输层：端口号，数据传输到具体那个进程程序（端到端）
会话层：通信管理，负责建立或者断开通信连接
表示层：确保一个系统应用层发送的消息可以被另一个系统的应用层读取，编码转换，数据解析，管理数据加密，解密；
应用层：指定特定应用的协议，文件传输，文件管理，电子邮件等。

3、TCP/IP模型

应用层：应用协议和应用程序的集合。

传输层：端到端 ，决定数据交给机器的哪个任务（进程）去处理，通过端口寻址

网络层：提供设备对设备的传输，可以理解为通过IP寻址机器。

网络接口和物理层：屏蔽硬件差异（驱动），向上层提供统一的操作接口。

DNS域名解析协议

4、常见网络协议 

网络接口和物理层:
	ppp：拨号协议（老式电话线上网方式）
	ARP：地址解析协议  IP-->MAC
	RARP:反向地址转换协议 MAC-->IP
网络层:	
	IP(IPV4/IPV6):网间互连的协议
	ICMP：网络控制管理协议，ping命令使用
	IGMP：网络分组管理协议，广播和组播使用
传输层：
	TCP：传输控制协议
	UDP：用户数据报协议
应用层：
	SSH:加密协议
	telnet：远程登录协议
	FTP：文件传输协议
	HTTP：超文本传输协议
	DNS：地址解析协议
	SMTP/POP3：邮件传输协议

注意：TCP和IP是属于不同协议栈层的，只是这两个协议属于协议族里最重要的协议，所以协议栈或者模型以之命名了。

四、TCP和UDP

共同点：都工作在传输层

TCP（即传输控制协议）：

是一种面向连接的传输层协议，它能提供高可靠性通信(即数据无误、数据无丢失、
数据无失序、数据无重复到达的通信)
适用情况：
1.SN/QQ等即时通讯软件的用户登录账户管理相关的功能通常采用TCP协议
2、适合于对传输质量要求较高，以及传输大量数据的通信。

UDP ：用户数据报协议

UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议，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。
即时性
1、发送小尺寸数据（如对DNS服务器进行IP地址查询时）
2、QQ/Skype等即时通讯软件的点对点文本通讯以及音视频通讯通常采用UDP协议
3、流媒体、VOD、VoIP、IPTV等网络多媒体服务中通常采用UDP方式进行实时数据传输

UDP TCP 协议相同点：都存在于传输层，全双工通信

单工：只能单方向传输信息

半双工：在同一时刻只能单方向传输信息

全双工：可以双向同时传输信息 

1、TCP：全双工通信，面向连接，可靠

TCP（即传输控制协议）：是一种面向连接的传输层协议，它能提供高可靠性通信

(即数据无失误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信)。

高可靠性原因：

1.   三次握手,四次挥手机制

2.   序列号和应答号机制

1. 超时/错误 重传机制

适用场景:

适合于对传输质量要求较高的通信

在需要可靠数据传输的场合，通常使用TCP协议

微信/QQ等即时通讯软件的用户登录账户管理相关的功能通常采用TCP协议

2、UDP：全双工通信，无连接，不可靠

UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议，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。

适用场景

发送小尺寸数据（如对DNS服务器进行IP地址查询时）

适合于广播/组播式通信中。

QQ/微信等即时通讯软件的音视频通讯通常采用UDP协议

3、Dos(拒绝式服务)攻击？

DOS：即Denial Of Service，拒绝服务的缩写，拒绝服务，DOS攻击即攻击者想办法让目标机器停止
提供服务或资源访问，这些资源包括磁盘空间、内存、进程甚至网络带宽，从而阻止正常用户的访问。

要对服务器实施拒绝服务攻击，主要有以下两种方法: 
①迫使服务器的缓冲区满，不接收新的请求；
②使用IP欺骗,迫使服务器把合法用户的连接复位,影响合法用户的连接，这也是DoS攻击实施的基本思想。
为便于理解，以下介绍一个简单的DoS 攻击基本过程：攻击者先向受害者发送大量带有虚假地址的请求，
受害者发送回复信息后等待回传信息。由于是伪造地址，所以受害者一直等不到回传信息，
分配给这次请求的资源就始终不被释放。当受害者等待一定时间后，连接会因超时被切断，
此时攻击者会再度传送一批伪地址的新请求，这样反复进行直至受害者资源被耗尽，最终导致受害者系统瘫痪。

五、编程预备知识

1、socket简介

1》1982 - Berkeley Software Distributions 操作系统引入了socket作为本地进程之间通信的接口
2》1986 - Berkeley 扩展了socket 接口，使之支持UNIX 下的TCP/IP 通信
3》现在很多应用 (FTP, Telnet) 都依赖这一接口 

Socket
 1、是一个编程接口
 2、是一种特殊的文件描述符 (everything in Unix is a file)
 3、并不仅限于TCP/IP协议
 4、面向连接 (Transmission Control Protocol - TCP)
 5、无连接 (User Datagram Protocol -UDP )
 
为什么需要Socket？
  普通的I/O操作过程 
  •打开文件－＞读/写操作－＞关闭文件 
  •TCP/IP协议被集成到操作系统的内核中，引入了新型的“I/O”操作 
  •进行网络通信的两个进程在不同的机器上，如何连接？
  •网络协议具有多样性，如何进行统一的操作 
需要一种通用的网络编程接口：Socket

2、socket类型--

流式套接字(SOCK_STREAM)   TCP

提供了一个面向连接、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，避免数据流淹没慢的接收方。数据被看作是字节流，无长度限制。

数据报套接字(SOCK_DGRAM)  UDP

提供无连接服务。数据包以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。

原始套接字(SOCK_RAW)

可以对较低层次协议如IP、ICMP直接访问。

3、socket作用

4、Socket的位置

六、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进程来进行处理，使用端口号来区分
• TCP端口号与UDP端口号独立
• 端口用两个字节来表示    2byte（65535个）

众所周知端口：1~1023（1~255之间为众所周知端口，256~1023端口通常由UNIX系统占用）
已登记端口：1024~49151    （选1000以上10000以下） 
动态或私有端口：49152~65535

七、字节序  

   小端序（little-endian）  - 低序字节存储在低地址

   大端序（big-endian）    - 高序字节存储在低地址

网络中传输一字节以上的带类型的数据（比如short、int），必须使用网络字节序，即大端字节序。

查看主机是大端序还是小端序。

网络传输中,需要将每个主机的主机字节序(CPU决定),转换为网络中统一顺序的网络字节序

才能供双方主机去识别

只需要转换IP和port就可以,不需要转换传输的数据包的字节序

因为IP和port为 4个字节和2个字节,  而数据报一般都为char类型, 占一个字节

根据字节序的性质,内存存储大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序。

所以char类型并不具有字节序的概念

1.主机字节序到网络字节序 （小端序->大端序）

#include 
u_long htonl (u_long hostlong); //host to internet long
功能：将无符号整数hostlong从主机字节顺序转换为网络字节顺序。
#include 
u_short htons (u_short short);  //掌握这个
功能：将无符号短整数hostshort从主机字节顺序到网络字节顺序。

2.网络字节序到主机字节序（大端序->小端序）

#include 
u_long ntohl (u_long hostlong);
功能：将无符号整数netlong从网络字节顺序转换为主机字节顺序。
#include 
u_short ntohs (u_short short);//端口 2byte
功能：将无符号短整数netshort从网络字节顺序转换为主机字节顺序。的

#include 
#include 

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int a = 0x12345678;
    //小端转大端
    int b = htonl(a);
    printf("%#x\n", b);
    //大端转小端
    int c = ntohl(b);
    printf("%#x\n", c);
    return 0;
}

八、IP地址转换

1、inet_addr主机字节序转换为网络字节序

#include   
#include               
#include
in_addr_t  inet_addr(const char *strptr);  //该参数是字符串
 
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr 
{
    in_addr_t s_addr;
};
功能:  主机字节序转为网络字节序
参数:  const char *strptr: 字符串
返回值: 返回一个无符号长整型数(无符号32位整数用十六进制表示), 
      否则NULL

2、inet_ntoa 网络字节序转换为主机字节序

#include 
#include 
#include 
char *inet_ntoa(struct in_addr inaddr);
功能:   将网络字节序二进制地址转换成主机字节序。 
参数:  struct in_addr in addr  : 只需传入一个结构体变量
返回值:  返回一个字符指针, 否则NULL;