网络传输层——UDP与TCP

前言：

1.国际网络体系结构：

    OSI模型: open system interconnect           理论模型
    1977   国际标准化组织
    各种不同体系结构的计算机能在世界范围内互联成网。
    
    应用层:要传输的数据信息，如文件传输，电子邮件等
    表示层:数据加密，解密操作，压缩，解压缩
    会话层:建立数据传输通道
    传输层:传输的方式  UDP  TCP   端口号
    网络层:实现数据路由    路由器  ip
    数据链路层:封装成帧，点对点通信（局域网内通信），差错检测   交换机 ARP
    物理层:定义物理设备标准，比如网线，光纤等传输介质   比特流  bit  0 1
    
    协议簇
    TCP/IP模型:  工业模型
    4层
    应用层:HTTP、HTTPS、FTP、TFTP、MQTT
    传输层:TCP、UDP
    网络层:IP
    网络接口层:网络接口层既是传输数据的物理媒介，也可以为网络层提供一条准确无误的线路
    
    5层
    应用层:HTTP、HTTPS、FTP、TFTP、MQTT
    传输层:TCP、UDP
    网络层:IP
    数据链路层:封装成帧，点对点通信（局域网内通信），差错检测   交换机
    物理层:定义物理设备标准，比如网线，光纤等传输介质   比特流  bit

2.协议:

    应用层协议:
        FTP:文件传输协议(实现文件上传/下载)
        TFTP:简单文件传输协议(实现文件上传/下载)
        HTTP:超文本传输协议(实现超文本(集视频、图片、文字于一体的文件类型)传输)
        HTTPS:加密版超文本传输协议
        MQTT:消息队列遥测传输协议（物联网传输）
        
    
    传输层协议:
        UDP:用户数据报协议
        TCP:传输控制协议

    网络层:
        IP协议
        192.168.1.128
        IPv4    32位
        IPv6    128位
        
        192.168.1.3         (用户表示形式)   点分十进制   
        11000000101010000000000100000011    (计算机存储形式) 32bits
        
        IP地址 = 网络位 + 主机位 
        
        192.168.0.121/24
        24：网络位的位数
        
        网络位:该IP地址位于哪个网段(局域网)内
        主机位:这个网段(局域网)第几台主机

        子网掩码:
            如：255.255.255.0
            11111111.11111111.11111111.00000000
            用来区分IP地址的网络位和主机位，搭配IP地址使用。
            子网掩码是1的部分对应IP地址的网络位
            子网掩码是0的部分对应IP地址的主机位

        192.168.1.0
        网段号:
            IP地址网络位不变,主机位全为0,则为该IP地址的网段号
            192.168.1.3
            255.255.0.0
            192.168.0.0
            位于
            192.168.1.0 网段内(网段内的IP能直接通信)
            
        广播号:
            IP地址网络位不变,主机位全为1,则为该IP地址的广播号
            192.168.1.3
            255.255.255.0
            广播号:
            192.168.1.255(向广播号发送信息,所有局域网内IP都能收到此信息)
            
            feiQ VNC
            192.168.1.255

        
    IP地址的划分:

        (1)A类地址:
                范围:1.0.0.0 - 126.255.255.255
                子网掩码:255.0.0.0          126*2^24        
                用于管理大规模网络
                
                私有IP地址:10.0.0.0 - 10.255.255.255
            
                127.0.0.0   回环地址
        (2)B类地址:
                范围:128.0.0.0 - 191.255.255.255
                子网掩码:255.255.0.0         2^16
                管理大中规模网络
                
                私有IP地址:172.16.0.0 - 172.31.255.255
            
        (3)C类地址:
                范围:192.0.0.0 - 223.255.255.255
                子网掩码:255.255.255.0        2^8
                管理中小规模网络
                
                私有IP地址:192.168.0.0 - 192.168.255.255
                
        (4)D类地址:
                224.0.0.0 - 239.255.255.255
                组播和广播使用
                
        (5)E类地址:
                240.0.0.0 - 255.255.255.254
                用来进行实验

        公有IP：由电信公司直接分配，并需要付费的IP地址， 可以直接访问internet
        私有IP：不能直接访问internet的ip地址
                
        节省ip地址

端口号： 16位的数值 0-65535
    作用：唯一的标识一个进程
    每一个应用进程都有一个端口号；
    通讯时用来区分数据包属于哪一个进程。
    
    分类：
        1）任何TCP/IP实现所提供的服务都用1-1023之间的端口号。
            http ： 80
            FTP： 20/21
            TFPT: 69
            HTTPS: 443
        2）端口号从1024-49151是被注册的端口号，被IANA指定为特殊服务使用。
        
        3）从49152-65535是动态或私有端口号。

IP+PORT : 可以找到目标主机上的目标进程

3.TCP/IP封包，拆包过程
    网络协议栈

 
网络编程之 UDP
 

UDP:用户数据报协议
User Datagram Protocol

1、特性：         
                1.发送数据时不需要建立链接，节省资源开销
                2.不安全不可靠的协议        //一般用在实时性比较高的广播，组播//vnc
                3.面向报文。
                4.资源开销小

                
2、框架：

    C/S模式  ：有一个专用的客户端  client----server
    QQ1--->腾讯服务器---->QQ2

   server：socket() ===>bind()===>recvfrom()===>close()
   client：socket() ===>（bind()）===>sendto() ===>close()
 
    B/S模式    ：有一个通用的客户端浏览器
    browser----server
    
套接字编程接口:
    

    1.socket 

      套接字:通信对象的抽象, 网络通信的端口，一个通信链的句柄。
      
      int socket(int domain, int type, int protocol);
      功能:
        创建一个用来通信的接口（文件描述符)
      参数:
        domain:通信的协议族(AF_INET:IPv4协议族)
        type:
            SOCK_DGRAM:数据报套接字    (UDP使用此类型)
            SOCK_STREAM:流式套接字    (TCP使用此类型)
            SOCK_RAW:原始套接字
        protocol:
            默认传0 按照协议的默认属性创建
      返回值:
        成功返回用来进行通信的文件描述符
        失败返回-1 
        
    IPv4地址形式:
        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 */
       };

        
    2.sendto 

      ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
      功能:
        向一个IP地址和端口发送数据信息
        端口号:区分一台主机不同的应用程序(0 - 65535)
      参数:
        sockfd:套接字文件描述符
        buf:发送数据空间首地址
        len:发送数据的长度
        flags:发送数据属性(默认为0)
        dest_addr:目的IP地址和端口
        addrlen:目的IP地址和端口的长度
      返回值:
        成功返回实际发送字节数
        失败返回-1 

    
        struct sockaddr             通用地址类型
        struct sockaddr_in             IPv4地址类型
        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 */
        };
        struct in_addr {
           uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
        };

    3.htons----》主机转网络字节序

        
        主机：小端   host
        网络：大端   network
    
      uint32_t htonl(uint32_t hostlong);          主机转网络
      uint16_t htons(uint16_t hostshort);         主机转网络
      uint32_t ntohl(uint32_t netlong);           网络转主机
      uint16_t ntohs(uint16_t netshort);          网络转主机

      h:host
      n:net 
      l:long 
      s:short 

    4.inet_addr

      in_addr_t inet_addr(const char *cp);
      功能:
        将字符串IP地址转换成二进制IP地址形式

      char *inet_ntoa(struct in_addr in);
      功能：
        将二进制ip转换成字符串

    练习：
        循环从终端接收字符串,并发送给串口调试助手,

    5.bind

      int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                socklen_t addrlen);
      功能:将一个套接字与IP地址和端口号绑定(只能绑定自己的IP地址)
      参数:
            sockfd:套接字文件描述符 
            addr:IP地址和端口号结构体首地址
            addrlen:长度
      返回值:
            成功返回0
            失败返回-1 

    6.recvfrom

      ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
      功能:
        接收网络发送的数据信息
      参数:
        sockfd:套接字文件描述符
        buf:存放数据空间首地址
        len:最大能够接收的数据个数
        flags:属性默认为0
        src_addr:存放发送端IP地址信息的空间首地址
        addrlen:想要接收的数据长度的空间首地址
      返回值:
        成功返回实际接收字节数
        失败返回-1 

      具有阻塞功能(直到接收到数据,才会继续向下执行)

使用UDP进行通信，一人一句 

 使用udp通信，传输视频以及图像。

UDP：用户数据报协议  传输层

特点:
    1.无连接
    2.不安全、不可靠
    3.面向报文
    4.占用资源开销小

    

tcp网络通信：

TCP : 传输控制协议   传输层

1. TCP特点:
    1.面向连接
    2.安全、可靠
    3.面向字节流
    4.占用资源开销大

    三次握手:
        指建立tcp连接时，需要客户端和服务端总共发送三次报文确认连接。
    四次挥手：
        断开一个tcp连接，需要客户端和服务端发送四个报文以确认断开。

2. 编程模型

   client： socket--->connect--->send/write--->close
   server:    socket--->bind--->listen--->accept---> recv/read--->close

    
函数接口:

    1.socket

      socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    
    2.connect

      int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                   socklen_t addrlen);
      功能:
        发送三次握手链接请求
      参数:
        sockfd:套接字文件描述符
        addr:存放目的地址空间首地址
        addrlen:目的地址长度
      返回值:
        成功返回0 
        失败返回-1 

        
    3.send

      ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
      功能:
        发送数据
      参数:
        sockfd:套接字文件描述符
        buf:存放数据空间首地址
        len:数据长度
        flag:属性默认为0 
      返回值:
        成功返回发送字节数
        失败返回-1 

        
    4.recv

      ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
      功能:
        接收数据 
      参数:
        sockfd:套接字文件描述符
        buf:存放数据空间首地址 
        len:最多接收数据长度 
        flags:接收属性默认为0 
      返回值:
        成功返回实际接收字节数
        失败返回-1 
        连接断开返回0 

    5.bind

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

    6.listen

      int listen(int sockfd, int backlog);
      功能:
        监听三次握手链接请求
      参数:
        sockfd:套接字文件描述符
        backlog:最多允许等待尚未处理的三次握手链接个数
      返回值:
        成功返回0 
        失败返回-1 

    7.accept

       int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
       功能:
          处理三次握手等待队列中的第一个请求并建立一个用来通信的新套接字
       参数:
          sockfd:套接字文件描述符
          addr:存放发送端IP地址空间首地址 
          addrlen:想要接收的IP地址的长度 
       返回值:
          成功返回新文件描述符
          失败返回-1 

TCP粘包问题

    
    TCP协议是面向字节流的协议，接收方不知道消息的界限，不知道一次提取多少数据，这就造成了粘包问题。

    粘包问题出现的原因： 

     1. 发送端：需要等缓冲区满时才发送出去，造成粘包；

     2. 接收端：不及时的接收缓冲区内的包，造成多个包接收。

    避免粘包问题的方法：

     1. 对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可；//  结构体

     2. 对于变长的包，还可以在包和包之间使用明确的分隔符，这个分隔符是由程序员自己来定的，只要保证分隔符不和正文冲突即可。

     
TCP报文头

    标志位：
    
    1. URG： 紧急指针标志， 为1时表示紧急指针有效， 该报文应该优先传送。
    2. ACK： 确认应答标志
    3. PSH:  表示发送数据，提示接收端从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间
    4. RST： 重置连接标志
    5. SYN： 表示请求建立一个连接
    6. FIN： finish标志， 表示释放连接
    

    滑动窗口大小：是TCP流量控制得一个手段。目的是告诉对方， 本端得TCP接受缓冲区还能容纳多少字节得数据，
                这样对方就可以控制发送数据的速度，从而达到流量控制，16bit，因而窗口最大65535.
                

 TCP的机制

    TCP复杂是因为它既要保证可靠性，同时又要尽可能的提高性能。

    可靠性：

        （1）三次握手和四次挥手机制
        
         (2) 确认应答：TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为序列号。每一个ACK都带有对应的确认序列号，保证数据不丢失的按序到达

        （3）超时重传：当发送端发送的数据在网络中丢失时，在一定时间内没有收到接收端的ACK，则发送端会重新发送丢失数据。

        （4）流量控制：按照ACK中“窗口大小”字段控制发送端的发送速度

    提高性能：

        （1）滑动窗口：可以按照“窗口大小”， 一次发送多条后， 再等待应答。

        （2）延迟应答：当接收方处理速度很快时，可以延迟发送ACK，此时"窗口大小"会自动增大

        （3）捎带应答：搭载应用层的响应报文发送ACK。

 

客户端与服务端的全双工通信。

 使用tcp网络通信发送视频以及图片