6 网络

1、概念

计算机网络是实现资源共享和信息传递的计算机系统
ISO/OSI网络协议模型

TCP/IP协议

·应用程序负责组织的通常都是与业务相关的数据内容，而要想把这些数据内容通过网络发送出去，就要将其自上向下地压入协议栈，每经历一个协议层，就会对数据做一层封包，每一层输出的封包都是下一层输入的内容，消息包沿着协议栈的运动形成了消息流。
·当从网络上接收数据时，过程刚好相反，消息包自下向上地流经协议栈，每经历一个协议层，就会对输入的数据解一层封包，经过层层解包以后，应用程序最终得到的将只是与业务相关的数据内容

2 IP地址

• 什么是P地址？
  IP地址,是IP协议提供的一种统一的地址格式，为互联网上的每个网络和每台主机分配一个逻辑地址，借以消除物理地址所带来的差异性
• IP地址如何表示？
  在计算机内部，IP地址用一个32位无符号整数表示，如：0x01020304。
  人们更习惯使用点分十进制字符串表示，如：1.2.3.4。字符串形式的从左到右，对应整数形式的从高字节到低字节。注意这里所说的高低指的是数位高低而非地址高低
• 什么是IP地址分级？
  A级地址：以0为首的8位网络地址+24位本地地址
  B级地址：以10为首的16位网络地址+16位本地地址
  C级地址：以110为首的24位网络地址+8位本地地址
  D级地址：以1110为首的32位多播地址
  例如：某台计算机的IP地址：192.168.182.48，写成整数形式：11000000 10101000 10110110 00110000
  代表的是C级地址，网络地址：192.168.182.0，本地地址：48
• 子网掩码
  • 借助子网掩码可以快速帮助我们区定IP地址的网络地址和本地地址
    • 以IP地址：192.168.182.48，子网掩码：255.255.255.0为例
      网络地址=IP地址&子网掩码
      192.168.182.48 & 255.255.255.0 = 192.168.182.0
      本地地址=IP地址&~子网掩码
      192.168.182.48 & 0.0.0.255 = 0.0.0.48

3、套接字

套接字代表着主机的通信能力
套接字接口库规定在网络传输过程中采用网络字节序，也就是大端字节序，
而本机数据可能是小短字节序
- 小端字节序：数据的低位存放在低地址
- 大端字节序：数据的低位存放在高地址

4、TCP协议

TCP提供客户机与服务器的连接

4.1 TCP协议的基本特征

一个完整TCP通信过程需要依次经历三个阶段

• 首先，客户机必须建立与服务器的连接
• 然后，凭借已建立好的连接，通信双方相互交换数据
• 最后，客户机与服务器双双终止连接，结束通信过程
  TCP保证数据传输的可靠性
• TCP的协议栈底层在向另一端发送数据时，会要求对方在一个给定的时间窗口内返回确认。如果超过了这个时间窗口仍没有收到确认，则TCP会重传数据并等待更长的时间。只有在数次重传均告失败以后，TCP才会最终放弃。TCP含有用于动态估算数据往返时间(Round-Trip Time,RTT)的算法，因此它知道等待一个确认需要多长时间
  TCP保证数据传输的有序性
• TCP的协议栈底层在向另一端发送数据时，会为所发送数据的每个字节指定一个序列号。即使这些数据字节没有能够按照发送时的顺序到达接收方，接收方的TCP也可以根据它们的序列号重新排序，再把最后的结果交给应用程序
  TCP是全双工的
• 在给定的连接上，应用程序在任何时候都既可以发送数据也可以接收数据。因此，TCP必须跟踪每个方向上数据流的状态信息，如序列号和通告窗口的大小

4.2 建立连接

三路握手

• 客户机的TCP协议栈向服务器发送一个SYN分节，告知对方自己将在连接中发送数据的初始序列号
• 服务器的TCP协议栈向客户机发送一个单个分节，其中不仅包括对客户机SYN分节的ACK应答，还包含服务器自己的SYN分节，以告知对方自己在同一连接中发送数据的初始序列号
• 客户机的TCP协议栈向服务返回ACK应答，以表示对服务器所发SYN的确认
  

tcp包头结构，有20个字节，其中2个字节的源端口、2个字节的目的端口、4字节的序号、4字节的确认号等等共计20个字节的数据

三次握手的解释：
① 客户机首先向服务器发送数据包，数据包中的SYN的比特位是1，并且在序号位置指定一个数字，假定为100
② 服务器收到客户机发来的数据包，其中SYN的比特位是1，那么服务器就会应答一个数据包，数据包里的ACK比特位置1，代表一种应答，并且在确认号这里会将收到的序号+1，这里是101，代表服务器真的收到了客户机的数据包，然后将序号指定一个数字假定是200，并且将SYN比特位置1，一起发送给客户机
③ 客户机收到服务器发来的数据包，首先检查数据包中的ACK和确认号是否正确，然后会向服务器应答一个数据包，其中ACK比特位置1，代表是对服务器的应答，确认号填写收到的序号+1，这里是201，发送给服务器，代表客户机真的收到了服务器的数据包
④ 服务器收到数据包，检查ACK和确认号，至此连接建立

接口## 4.3 交换数据

• 一旦连接建立，客户机即可构造请求包并发往服务器，服务器接收并处理来自客户机的请求包，构造响应包
• 服务器向客户机发送响应包，同时捎带对客户机请求包的ACK应答。
• 客户机接收来自服务器的响应包，同时向对方发送ACK应答
  

4.4 终止连接

四次挥手

• 客户机或者服务器主动关闭连接，TCP协议栈向对方发送FIN分节，表示数据通信结束。如果此时尚有数据滞留于发送缓冲区中，则FIN分节跟在所有未发送数据之后
• 接收到FIN分节的另一端执行被动关闭，-方面通过TCP协议栈向对方发送ACK应答，另一方面向应用程序传递文件结束符
• 一段时间以后，方才接收到FIN分节的进程关闭自己的连接，同时通过TCP协议栈向对方发送FIN分节
• 对方在收到FIN分节后发送ACK应答
  四次挥手的解释
  ① 客户机关闭套接字之后，客户机首先向服务器发送一个数据包，其中FIN比特位置1
  ② 服务器收到客户机发来的数据包，其中FIN比特位为1，向客户机回传一个应答，其中ACK置1
  ③ 服务器关闭对应的套接字操作之后，服务器向客户机发送一个数据包，其中FIN比特位置1
  ④ 客户机收到服务器发来的数据包，其中的FIN比特位为1，向服务器回传一个应答，其中ACK置1
  ⑤ 至此连接断开，通信终止

4.5 编程模型

• 相关函数
  1:socket 创建套接字

// 头文件 sys/socket.h
int socket(int domain,int type,int protocol);
- 功能：创建套接字
- 参数：- domain:通信域，协议族，可取以下值：PF_LOCAL/PF_UNIX - 本地套接字，进程间通信PF_INET - 基于IPV4的网络通信PF_INET6 - 基于IPv6的网络通信PF_PACKET - 基于底层包的网络通信- type:套接字类型，可取以下值：SOCK_STREAM - 流式套接字，基于TCP协议SOCK_DGRAM - 数据报套接字，基于UDP协议SOCK_RAW - 原始套接字，工作在传输层以下- protocol:特殊协议，对于流式和数据报套接字而言，只能取0
- 返回值：成功返回表示套接字对象的文件描述符，失败返回-1。

2:相关结构体

/*套接字接口库通过地址结构定位一个通信主体，可以是一个文件，可以是一台远程主机，也可以是执行者自己 */
// 基本地址结构，本身没有实际意义，仅用于泛型化参数
struct sockaddr{sa_family_t sa_family； // 地址族char sa_data\[14\]; // 地址值
}
// 本地地址结构，用于AF_LOCAL/AF_UNIX域的本地通信
struct sockaddr_un{sa_family_t sun_family;// 地址族(AF_LOCAL/AF_UNIX)char sun_path\[\];// 本地套接字文件的路径
}
// 网络地址结构，用于AF_INET域的IPV4写径通信
struct sockaddr_in{sa_family_t sin_family;∥地址族(AF_INET)in_port_t sin_port; //端口号(0~65535) - unsigned shortstruct in_addr sin_addr;//IP地址 - unsigned int
}
// 网络地址结构，用于AF_INET域的IPV4网络通信
struct in_addr{in_addr_t s_addr;
}
typedef uint16_t in_port_t; //无符号16位整数
typedef uint32_t in_addr_t; //无符号32位整数

3:字节序转换函数

uint32_t htonl(uint32_t hostlong); //长整形主机字节序到网络字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netllong); //长整形网络字节序到主机字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort); //短整形主机字节序到网络字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); //短整型网络字节序到主机字节序
in_addr_t inet_addr(char const* ip); // 点分十进制字符串地址 -> 网络字节序形式整数地址
int inet_aton(char const* ip,struct in_addr* nip); //点分十进制字符串地址 -> 网络字节序形式整数地址
char* inet_ntoa(struct in_addr nip); //网络字节序形式整数地址 -> 点分十进制字符串地址

4:bind 将套接字和本机的地址结构绑定在一起

// 头文件 sys/socket.h
int bind(int sockfd,struct sockaddr const* addr,socklen_t addrlen);
- 功能：将套接字和本机的地址结构绑定在一起
- 参数：- sockfd:套接字描述符。- addr:自己的地址结构。- addrlen:地址结构的字节数
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。

5:listen 启动侦听

// 头文件 sys/socket.h
int listen(int sockfd,int backlog)
- 功能：启动侦听：在指定套接字上启动对连接请求的侦听功能
- 参数：- sockfd:套接字描述符，在调用此函数之前是一个主动套接字，是不能感知连接请求的，在调用此函数并成功返回之后，是一个被动套接字，具有感知连接请求的能力。- backlog:未决连接请求队列的最大长度，一般取不小于1024的值。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。

6:accept

// 头文件 sys/socket.h
int accept(int sockfd,struct sockaddr* addr,socklen_t* addrlen);
- 功能：等待并接受连接请求，在指定套接字上阻塞，直到连接建立完成。
- 参数：- sockfd:侦听套接字描述符- addr:输出连接请求发起方的地址信息- addrlen:输出连接请求发起方的地址信息字节数
- 返回值：成功返回可用于后续通信的连接套接字描述符，失败返回-1。

• 案例

// tcp 服务器
#include <stdio.h>
#include <ctype.h> // toupper
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h> // 网络相关
#include <sys/types.h>// 网络相关
#include <arpa/inet.h>// 网络相关
#include <sys/wait.h>// 收尸
void sigfun(int signum){printf("服务器：收尸\n");for(;;){pid_t pid = waitpid(-1,NULL,WNOHANG);if(pid == -1){if(errno == ECHILD){printf("没有子进程了\n");break;}else{perror("waitpid");return ;}}else if(pid == 0){printf("%d进程在运行\n",getpid());break;}else{printf("%d进程：回收了%d进程的僵尸\n",getpid(),pid);}}
}int main(){printf("服务器设置信号量\n");if(signal(SIGCHLD,sigfun)==SIG_ERR){ // 对17号信号做捕获处理perror("signal");return -1;}printf("服务器：创建套接字\n");int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd == -1){perror("socket");return -1;}printf("服务器：组织地址结构\n");struct sockaddr_in ser;// IPV4的网络地址结构ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(8980);// 端口号，这里需要做字节序转换，因为TCP协议栈需要这个端口ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.174.152");printf("服务器：绑定套接字和地址结构\n");if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser)) == -1){perror("bind");return -1;}printf("服务器：启动侦听\n");if(listen(sockfd,1024)==-1){// 监听,用于接收客户端的连接请求(3次握手)perror("listen");return -1;}for(;;){printf("服务器：等待连接\n");struct sockaddr_in cli; //用于输出客户端的地址结构socklen_t len = sizeof(cli); // 用来输出地址结构的大小int conn = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&cli,&len); // 用于完成与客户端的3次握手中的后两次if(conn == -1){ // conn 是用来和客户端通信用的，每接入一个客户端，就会生成一个新的connperror("accept");return -1;}printf("服务器：接收到%s:%hu的客户端的连接\n",inet_ntoa(cli.sin_addr),ntohs(cli.sin_port));printf("服务器：业务处理\n");pid_t pid = fork();if(pid == -1){perror("fork");return -1;}if(pid == 0){close(sockfd);// 关掉从父进程复制过来的通信套接字for(;;){// 接收客户端发送的小写的串char buf[64]={};ssize_t size = read(conn,buf,sizeof(buf)-1);if(size == -1){perror("read");close(conn);return -1;}//客户端断开连接时if(size == 0){break;}// 转大写for(int i=0;i<strlen(buf);i++){buf[i]=toupper(buf[i]);}// 将大写的串回传给客户端if(write(conn,buf,strlen(buf))==-1){perror("write");close(conn);return -1;}}printf("服务器：关闭通信套接字\n");close(conn);return 0;}close(conn);// 子进程已经复制了这个套接字，父进程自己的直接关掉即可}printf("关闭服务器\n");close(sockfd);return 0;
}

7:connect 将套接字和对方的地址结构连接在一起

// 头文件 sys/socket.h
int connect(int sockfd,struct sockaddr const* addr,socklen_t addrlen);
- 功能：将套接字和对方的地址结构连接在一起
- 参数：- sockfd:套接字描述符- addr:对方的地址结构- addrlen:地址结构的字节数
- 返回值：成功返回0，失败返回-1

8:send 发送数据

// 头文件 sys/socket.h
ssize_t send(int sockfd,void const* buf,size_t count,int flags);
- 功能：发送数据
- 参数：- 若flags取0则与write函数完全等价，另外也可取以下值：MSG_DONTWAIT - 以非阻塞方式接收数据。MSG_OOB - 接收带外数据。MSG_DONTROUTE - 不查路由表，直接在本地网络中寻找目的主机
- 返回值：成功返回实际发送的字节数，失败返回-1。

9:recv 接收数据

// 头文件 sys/socket.h
ssize_t recv(int sockfd,void* buf,size_t count,int flags);
- 功能：接收数据
- 参数：- 若flags取0则与read函数完全等价，另外也可取以下值：MSG_DONTWAIT - 以非阻塞方式接收数据。MSG_OOB - 接收带外数据。MSG_WAITALL - 等待所有数据，即不接收到count字节就不返回。
- 返回值：成功返回实际接收到的字节数，失败返回-1。

• 案例

// 基于tcp客户端的连接
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>int main(){printf("客户端：创建套接字\n");int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd == -1){perror("socket");return -1;}printf("客户端：组织服务器的地址结构\n");struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(8980);ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.174.152");printf("客户端：发起连接\n");if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser))==-1){perror("connect");return -1;}printf("客户端：业务处理\n");for(;;){// 发送小写的串char buf[64]={};fgets(buf,sizeof(buf),stdin);if(strcmp(buf,"!\n")==0){break;}if(send(sockfd,buf,strlen(buf),0)==-1){perror("send");return -1;}// 接收大写的串if(recv(sockfd,buf,sizeof(buf)-1,0)==-1){perror("recv");return -1;}// 显示printf("%s",buf);}printf("客户端：关闭套接字\n");close(sockfd);return 0;
}

5、UDP协议

5.1 UDP协议的基本特性

• UDP不提供客户机与服务器的连接
  • UDP的客户机与服务器不必存在长期关系。一个UDP的客户机在通过一个套接字向一个UDP服务器发送了一个数据报之后，马上可以通过同一个套接字向另一个UDP服务器发送另一个数据报。同样，一个UDP服务器也可以通过同一个套接字接收来自不同客户机的数据报
• UDP不保证数据传输的可靠性和有序性
  • UDP的协议栈底层不提供诸如确认、超时重传、RTT估算以及序列号等机制。因此UDP数据报在网络传输的过程中，可能丢失，也可能重复，甚至重新排序。应用程序必须自己处理这些情况
• UDP不提供流量控制
  • UDP的协议栈底层只是一味地按照发送方的速率发送数据，全然不顾接收方的缓冲区是否装得下
• UDP是全双工的
  • 在一个UDP套接字上，应用程序在任何时候都既可以发送数据也可以接收数据

5.2 常用函数

1:recvfrom 从哪里接收数据

// 头文件 sys/socket.h
ssize_t recvfrom(int sockfd,void* buf,size_t count,int flags,struct sockaddr* src_addr,socklen_t* addrlen);
- 功能：从哪里接收数据
- 参数：- 前四个参数和函数recv相同- src_addr:输出源主机的地址信息- addrlen:输入输出源主机的地址信息的字节数。
- 返回值：成功返回实际接收的字节数，失败返回-1

2:sendto 发送数据到哪里

// 头文件 sys/socket.h
ssize_t sendto(int sockfd,void const* buf,size_t count,int flags,struct sockaddr const* dest_addr,socklen_t addrlen);
- 功能：发送数据到哪里
- 参数：- 前四个参数和函数send相同- dest_addr:目的主机的地址信息。- addrlen:目的主机的地址信息的字节数。
- 返回值：成功返回实际发送的字节数，失败返回-1

5.3 UDP通信模型

• 服务器

// udp 服务器
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys//types.h>
#include <arpa/inet.h>int main(){printf("服务器：创建套接字\n");int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd == -1){perror("socket");return -1;}printf("服务器：组织地址结构\n");struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(8090);ser.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.174.152");printf("服务器：绑定套接字和地址结构\n");if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser))==-1){perror("bind");return -1;}printf("服务器：业务处理\n");for(;;){char buf[64]={};struct sockaddr_in cli;socklen_t len = sizeof(cli);if(recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf)-1,0,(struct sockaddr*)&cli,&len)==-1){perror("recvfrom");return -1;}// 转大写for(int i=0;i<strlen(buf);i++){buf[i] = toupper(buf[i]);}// 将大写的串回传到客户端if(sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr*) &cli,len) == -1){perror("sendto");return -1;}}printf("服务器关闭套接字\n");close(sockfd);return 0;
}

• 客户端

// UDP客户端
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(){printf("客户端：创建套接字\n");int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd == -1){perror("socker");return -1;}        printf("客户端：组织服务器地址结构\n");struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(8090);ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.174.152");printf("客户端：业务处理\n");for(;;){// 向客户端发送小写的串char buf[64] = {};fgets(buf,sizeof(buf),stdin);if(strcmp(buf,"!\n")==0){break;}if(sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser))==-1){perror("sendto");return -1;}// 接收服务器回传if(recv(sockfd,buf,sizeof(buf)-1,0)==-1){perror("recv");return -1;}// 显示printf("客户端：收到%s",buf);}// 关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

6、域名解析

• IP地址是网络上标识站点的数字地址，为了方便记忆，采用域名来代替1P地址标识站点地址
• 域名解析就是域名到IP地址的转换过程。域名的解析工作由DNS服务器完成
• 当应用过程需要将一个主机域名映P地址时，就调用域名解析函数，解析函数将待转换的域名放在DNS请求中，以UDP报文方式发给本地域名服务器。本地的域名服务器查到域名后，将对应的IP地址放在应答报文中返回。
  相关函数
  gethostbyname 获取主机信息

// 头文件 netdb.h
struct hostent* gethostbyname(char const* host_name);
- 功能：通过参数所传的主机域名，获取主机信息
- 参数：- host_name 主机域名
- 返回值：函数执行成功返回表示主机信息的结构体指针，失败返回NULL
- 注意，该函数需要再联网情况下使用

结构

struct hostent{char *h_name; //主机官方名char **h_aliases; //主机别名表int h_addrtype; //地址类型int h_length; //地址长度char **h_addr_list; //IP地址表
};

• 案例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc,char* argv[]){struct hostent* h = gethostbyname(argv[1]);if(h==NULL){perror("gethostbyname");return -1;}printf("主机官方名\n");printf("\t%s\n",h->h_name);printf("主机别名\n");for(char **pp = h->h_aliases;*pp;pp++){printf("\t%s\n",*pp);}printf("IP地址表\n");for(struct in_addr **pp=(struct in_addr**)h->h_addr_list;*pp;pp++){printf("\t%s\n",inet_ntoa(**pp));}return 0;
}

• 创建http请求发送

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>int main(){// 创建套接字int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd == -1){perror("socket");return -1;}// 组织百度服务器的地址结构struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(80);ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("36.155.132.76");// 向百度服务器发起连接if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser))==-1){perror("connect");return -1;}// 组织http请求并发送给百度服务器char request[1024] ={};sprintf(request,"GET / HTTP/1.1\r\n""Host: www.baidu.com\r\n""Accept: */*\r\n""Connection: close\r\n\r\n");if(send(sockfd,request,strlen(request),0)==-1){perror("send");return -1;}// 接收百度服务器回传的响应for(;;){char respond[1024] = {};ssize_t size = recv(sockfd,respond,sizeof(respond)-1,0);if(size == -1){perror("recv");return -1;}if(size == 0){break;}printf("%s",respond);}printf("\n");close(sockfd);return 0;
}