Linux-网络编程-学习笔记（20）：网络基础与编程实践

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Linux-网络编程-学习笔记（20）：网络基础与编程实践

一、网络基础

1. 网络通信概述

网络是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的。通信是人与人之间通过某种媒体进行的信息交流与传递。网络通信是通过网络将各个孤立的设备进行连接，通过信息交换实现人与人，人与计算机，计算机与计算机之间的通信。

站在进程的层面来说，网络之间的通信其实就是位于网络中不同主机上面的2个进程之间的通信。
以2台设备的QQ之间通信为例：

从图中可以看出，网络通信是分层的：
(1)硬件部分：网卡（负责通过网线或者WIFI的方式与外部网络进行通信）
(2)操作系统底层：网卡驱动（负责驱动网卡以及打包数据的操作）
(3)操作系统API：socket接口（应用软件去操作网卡驱动的API）
(4)应用层：低级（直接基于socket接口编程）
(5)应用层：高级（基于网络通信应用框架库）
(6)应用层：更高级（http、网络控件等）

2. 网络通信基础知识

2.1 OSI7层网络模型

2.2 网卡
（1）网卡是计算机用来上网的必备硬件设备，CPU靠网卡来连接外部网络。
（2）网卡是一个串转并的设备。网卡芯片和CPU之间的通信是并行通信，网络通信是一种串行、全双工、差分的通信方式。
（3）网卡用来进行数据帧的封包和拆包。网络的发送数据的时候不单纯是发送数据，而是将一定大小的数据进行打包（64kb或其他大小）发送，包包含三部分，包头、数据和包尾（其中包头包含了IP信息等）。
（4）网卡能够实现网络数据缓存和速率适配（两个电脑的传输速率不相同）。

2.3 集线器
（1）信号中继放大，相当于中继器。
（2）组成局域网络，用广播方式工作。（多台设备插到一个集线器上）
（3）注意集线器是不能用来连接外网的。

2.4 交换机
（1）包含集线器功能，但更高级。
（2）交换机中有地址表，数据包查表后直达目的通信口而不是广播。
（3）找不到目的口时广播并学习。

2.5 路由器

（1）路由器是局域网和外部网络通信的出入口。（跨局域网进行通信需要经过网关才能出去，路由器就相当于一个网关）
（2）路由器将整个internet划分成一个个的局域网，却又互相联通。（两个路由器连接下的电脑构成了两个局域网，通过路由器实现局域网间接连接）
（3）路由器对内管理子网（局域网），可以在路由器中设置子网的网段，设置有线端口的IP地址，设置dhcp功能等，因此局域网的IP地址是路由器决定的。
（4）路由器对外实现联网，联网方式取决于外部网络（如ADSL拨号上网、宽带帐号、局域网等）。这时候路由器又相当于是更高层级网络的其中一个节点而已。
路由器的WAN是对外的口，LAN是对内的口
（5）路由器相当于有2个网卡，一个对内做网关、一个对外做节点。
（6）路由器的主要功能是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳路径（路由）并转发出去。其实就是局域网内电脑要发到外网的数据包，和外网回复给局域网内电脑的数据包。（路由器的好坏决定路径选的好坏，即收发速度）
（7）路由器技术是网络中最重要技术，决定了网络的稳定性和速度。

2.6 DNS（Domain Name Service 域名服务）
（1）网络世界的门牌号：IP地址（例如百度的IP地址为61.135.169.125）。IP地址的缺点：难记、不直观。
（2）IP地址的替代品：域名（例如www.baidu）。
（3）DNS服务器就是专门提供域名和IP地址之间的转换的服务的，因此域名要购买的.
（4）我们访问一个网站的流程是：先使用IP地址（譬如谷歌的DNS服务器IP地址为8.8.8.8）访问DNS服务器（DNS服务器不能是域名，只能是直接的IP地址），查询我们要访问的域名的IP地址，然后再使用该IP地址访问我们真正要访问的网站。这个过程被浏览器封装屏蔽，其中使用的就是DNS协议。
（5）浏览器需要DNS服务，而QQ这样的客户端却不需要（因为QQ软件编程时已经知道了腾讯的服务器的IP地址，因此可以直接IP方式访问服务器）

2.7 DHCP（dynamic host configuration protocl，动态主机配置协议）
（1）每台计算机都需要一个IP地址，且局域网内各电脑IP地址不能重复，否则会地址冲突（同一个局域网内，两台设备的IP地址重复，比如都设为了192.168.1.1）。
（2）计算机的IP地址可以静态设定（自己制定IP地址，但是管理起来很麻烦），也可以动态分配（由管理员路由器给自动分配）
（3）动态分配是局域网内的DHCP服务器来协调的，很多设备都能提供DHCP功能，譬如路由器。
（4）动态分配的优势：方便接入和断开、有限的IP地址得到充分利用。

2.8 NAT（network address translation，网络地址转换协议）
（1）IP地址分为公网IP（internet范围内唯一的IP地址）和私网IP（内网IP），局域网内的电脑使用的都是私网IP（常用的就是192.168.1.xx）
（2）网络通信的数据包中包含有目的地址的IP地址。
这里以获取百度某张图片为例：首先子网中的某台设备的IP地址为192.168.1.1，它所连接的路由器的IP地址为172.1.1.1，那么设备想要从百度获取一张图片，一定是要向百度网站发送一个请求命令，这个命令就是一个数据，那么在发送前网卡会将数据进行打包（包头、数据、包尾），其中包头保存了公网IP（路由器）和私网IP（设备）和目的地IP（百度服务器），然后通过路由器规划路径后发送到百度的服务器上，服务器进行数据的解析，得知是要获取某张图片，于是将图片数据进行打包（仍然是3部分），其中包头中的目的地址和本地地址取反（发送地变为接收地，接收地变为发送地），将图片发送回网卡，路由器进行判断，知道该图片应该发送给192.168.1.1对应的设备，最终该设备收到了图片。
（3）当局域网中的主机要发送数据包给外网时，路由器要负责将数据包头中的局域网主机的内网IP替换为当前局域网的对外外网IP。这个过程就叫NAT。
（4）NAT的作用是缓解IPv4的IP地址不够用问题，但只是类似于打补丁的形式，最终的解决方案还是要靠IPv6。
（6）NAT穿透：P2P下载方式叫做一种穿透，服务器作为中介，让两台内网相连的技术叫做穿透。
这里以迅雷下载为例：假设我要下载一张图片（局域网A的设备1），如果从百度上下载这张图片时，需要前一个例子那样，走很长一段距离才能到达百度服务器，这无疑会浪费很多时间。但是P2P下载方式为我们提供了一种点对点的方式下载，也就是如果这张图片在另外一台设备上有（局域网B的设备1），同时我的设备和那台设备都连接了训练服务器，那么迅雷服务器会为我们两个局域网之间构成了一条通路（本来两个局域网互相不知道IP
是无法进行连接的，但是如果2台设备都连接到了迅雷服务器，那么迅雷服务器会自动安排一种连接通道），这样我就可以直接到那台设备上下载图片。通过缩短了距离来提高了下载速度。如果同时有100台设备上都有这张图片，那么我的设备就与这100台设备都构成了通路，从而实现了一种并行下载，极大程度地提高了下载速度。这就好像本来两个局域网之间有一堵墙隔着，P2P的下载方式穿透了这堵墙，所以称为NAT穿透。

2.9 IP地址分类（IPv4）
（1）IP地址实际是一个32位二进制构成，在网络通信数据包中就是32位二进制，而在人机交互中使用点分十进制方式显示。

（2）IP地址中32位实际包含2部分，分别为：网络地址和主机地址。子网掩码用来说明网络地址和主机地址各自占多少位。
可以8位表示网络，24位表示主机；也可以16位表示网络，16位表示主机；14为表示网络，18位表示主机。下面表格为用子网掩码表示的2种：

网络地址决定了这种网络中一定可以有多少个网络，主机地址决定了该子网下最多能有多少主机。譬如子网掩码为255.255.255.0时表示我们这一种网络一共最多可以有224个，每个这种网络中可以有28个主机。
如果子网掩码为255.255.0.0时，表示我们这种网络可以有216个网络，每个这种网络中最多可以有216个主机。
网络地址用来表示子网，主机地址是用来表示子网中的具体某一台主机的。

（3）由网络地址和主机地址分别占多少位的不同，将IP地址分为5类，最常用的有3类（A类、B类和C类）
（4）127.0.0.0用来做回环测试loopback
（5）判断2个IP地址是否在同一子网内的方法是：查看2个IP地址的网络标识一样，那么就处于同一网络。
网络标识 = IP地址 & 子网掩码
例如：192.168.1.4和192.168.12.5，如果子网掩码是255.255.255.0那么不在同一网段，如果子网掩码是255.255.0.0那么就在同一个网段。

二、网络编程

1. 网络编程框架

1.1 网络的分层结构
因为网络是一种非常复杂的通信方式，所以要通过分层来进行开发难度的降低。因此我们在研究网络通信时，一定要在同一个层次进行研究，不能跨层次研究，比如分析客户端和服务器的收发时，要分析API层次时，两部分都要统一在这个层次进行分析，而不能是一端分析API接口，另一端却去分析驱动了。一般情况下，我们在网络编程时最关注的是应用层，传输层只需要了解即可。

1.2 BS和CS
（1）CS架构介绍（client server，客户端服务器架构）。比如QQ，360网盘之类的（在电脑上或手机上用软件登录的）。
（2）BS架构介绍（broswer server，浏览器服务器架构）。比如在线版的QQ，网页版360网盘（用浏览器打开的）。

2. TCP协议

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

2.1 TCP协议的作用
（1）TCP协议工作在传输层，对上服务socket接口（API），对下调用IP层。（我们只需要通过调用socket接口实现数据收发，其内部安排由TCP来完成）
（2）TCP协议面向连接，通信前必须先3次握手建立连接关系后才能开始通信。（比如打电话必须你拨号，对面接听才能够进行双向的语音通信）
（3）TCP协议（像是一个快递公司）提供可靠传输，不怕丢包、乱序等。

2.2 TCP如何保证可靠传输
（1）TCP在传输有效信息前要求通信双方必须先握手，建立连接才能通信（比如通过打电话联系一个人时，通过收到了对方的回应从而确定对方收到了消息；而通过QQ只是发送了消息过去，对方是否看到这里不清楚）
（2）TCP的接收方收到数据包后会ack给发送方，若发送方未收到ack会丢包重传（每一次发送都要有回应，从而确保发送信息的被收到）
（3）TCP的有效数据内容会附带校验，以防止内容在传递过程中损坏（就好像快递公司给包裹加上了某种保护措施）
（4）TCP会根据网络带宽来自动调节适配速率，自动调整发送包的大小和一次发多少个包等……（滑动窗口技术）
（5）发送方会给各分割报文编号，接收方会校验编号，一旦顺序错误即会重传（传的数据顺序不能乱）

2.3 TCP的三次握手

TCP建立连接需要三次握手，这是TCP协议内部自动完成的，我们只需要调用对应的API进行收发即可。
建立连接的条件：服务器listen时客户端主动发起connect。
建立过程：SYN是一个同步信号，客户端发起完这个SYN信号 [第一次] 后就主动进入到了SYN-SENT（请求连接）状态，服务器收到信号后，就会进入到SYN-RCVD（同步收到）状态并且回复一个SYN+ACK信号 [第二次] ，客户端在SYN-SENT接收到SYN+ACK信号后会回应一个ACK信号 [第三次] ，并且将自身状态变为ESTAB-LISHED（建立服务）。服务器收到了ACK信号，也会进入到ESTAB-LISHED，从而建立连接。客户端和服务器之间可以进行双向通信。

2.4 TCP的四次挥手

TCP断开连接需要四次挥手。
断开连接的条件：服务器或者客户端都可以主动发起关闭。
断开过程：假设客户端先向其TCP发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接。客户端发送释放报文FIN [第一次] ，此时客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态，等待服务器的确认。服务器收到释放报文后发出确认报文ACK [第二次] ，然后服务器就进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器进程这时应通知高层进程，因而从客户端到服务器这个方向的连接就释放了，这时的TCP连接处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但服务器若发送数据，客户端仍要接收。也就是说，从服务器到客户端这个方向的连接并未关闭。这个状态可能会持续一些时间。客户端收到来自服务器的确认后，就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发出的连接释放报文段。若服务器已经没有要向客户端发送的数据，其应用进程就通知TCP释放连接。这时服务器发出的连接释放报文FIN，并且还附带上次已发送过的确认号ACK [第三次] 。这时服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。客户端在收到服务器的连接释放报文段后，发送确认报文ACK [第四次] 。然后进入到TIME-WAIT（时间等待）状态（请注意：现在TCP连接还没有释放掉。必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL（MSL：最长报文段寿命）后，客户端才进入到CLOSED状态）。服务器收到ACK也就如到CLOSED状态。

3. 根据TCP协议搭建网络链接

3.1 基于TCP通信的服务模式
（1）首先搭建的网络连接主要分为两部分：客户端和服务器。
客户端：搭建socket接口，通过connect去向服务器发起连接。
服务器：搭建socket接口，通过bind绑定IP，然后调用listen来进入监听状态。
（2）服务器收到并同意客户端接入后会建立TCP连接，然后双方开始收发数据，收发时是双向的，而且双方均可发起，同时双方均可发起关闭连接。
（3）常见的使用了TCP协议的网络应用：http（相当于一个应用程序，用来传输文本信息）、ftp、QQ服务器和mail服务器。这些需要很高可靠的应用，底层都是基于TCP协议的。

3.2 常用的网络编程函数
（1）socket：socket函数类似于open，用来打开一个网络连接，如果成功则返回一个网络文件描述符（int类型），之后我们操作这个网络连接都通过这个网络文件描述符。
（2）bind：用来进行绑定的函数，把本地的IP地址和socket进行绑定。功能类似于fctrl函数，是用来改变属性的函数。
（3）listen：监听一个端口，监听的是在bind时绑定的那个地址。
PS：端口号，实质就是一个数字编号，用来在我们一台主机中（主机的操作系统中）唯一的标识一个能上网的进程。端口号（精确到电脑中的某个进程）和IP地址（精确到某个电脑）一起会被打包到当前进程发出或者接收到的每一个数据包中。每一个数据包将来在网络上传递的时候，内部都包含了发送方和接收方的信息（就是IP地址和端口号），所以IP地址和端口号这两个往往是打包在一起不分家的。
（4）accept：返回值是一个fd，accept正确返回就表示我们已经和前来连接我的客户端之间建立了一个TCP连接了，以后我们就要通过这个连接来和客户端进行读写操作，读写操作就需要一个fd，这个fd就由accept来返回了。（阻塞的位置）
PS：socket返回的fd叫做监听fd，是用来监听客户端的，不能用来和任何客户端进行读写；accept返回的fd叫做连接fd，用来和连接那端的客户端程序进行读写。
（5）connect：用来连接服务器的（客户端那边用）。
（6）send/write：发送数据。（send比write就多了一个flag，只有支持一些特殊协议时会用到flag，普通情况下用0即可）
（7）recv/read：接收数据。（在网络中发送有点像是写文件，在网络中接收有点像是收文件）

（8）inet_aton：点分十进制转换为32位二进制形式。（inet_pton原理相同，只是支持IPv6）
（9）inet_ntoa：32位二进制转换为点分十进制。（inet_ntop原理相同，支持IPv6）
（10）inet_addr：先检测本设备是大端还是小端，然后自动转为大端模式。（在网络编程中，默认都使用大端模式）

4. 实现网络通信

（1）设计网络通信主要包括2个部分，一个是客户端：负责去连接服务器。另一个是服务器：负责监听客户端的连接并配合它。
（2）客户端和服务器原则上都可以任意的发和收，但是实际上双方必须配合：client发的时候server就收，而server发的时候client就收。但是client和server之间的通信是异步的，所以需要依靠应用层协议来解决。
（3）规定连接建立后由客户端主动向服务器发出1个请求数据包，然后服务器收到数据包后回复客户端一个回应数据包，这就是一个通信回合，整个连接的通信就是由N多个回合组成的。同时双发发送的数据包格式也要有一定要求。

下面以一个例子展示网络编程：客户端向服务器注册学生的基本信息（发送一个数据包），服务器回应一个数据包表示接收完成（展示学生的基本信息）。

客户端代码：client.c

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define SERADDR		"192.168.1.104"		// 服务器开放给我们的IP地址和端口号
#define SERPORT		9003

//发送、接收缓冲区
char sendbuf[100];
char recvbuf[100];

#define CMD_REGISTER	1001	// 注册学生信息
#define CMD_CHECK		1002	// 检验学生信息
#define CMD_GETINFO		1003	// 获取学生信息

#define STAT_OK			30		// 回复ok
#define STAT_ERR		31		// 回复出错了

typedef struct commu
{
	char name[20];		// 学生姓名
	int age;			// 学生年龄
	int cmd;			// 命令码
	int stat;			// 状态信息，用来回复
}info;

int main(void)
{
	int sockfd = -1, ret = -1;
	//这个结构体是网络编程接口中用来表示一个IP地址的，
	//这个IP地址是兼容IPv4和IPv6的
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	// 第1步：创建socket(AF_INET：使用IPv4进行通信，SOCK_STREAM：TCP)
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步：connect链接服务器，向结构体填充服务器信息
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息（检测大小端并调整）
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	//　设置IP地址
	ret = connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("connect");
		return -1;
	}
	printf("成功建立连接\n");

	while (1)
	{
		// 回合中第1步：客户端给服务器发送信息
		info st1;
		printf("请输入学生姓名\n");
		scanf("%s", st1.name);
		printf("请输入学生年龄");
		scanf("%d", &st1.age);
		st1.cmd = CMD_REGISTER;
		ret = send(sockfd, &st1, sizeof(info), 0);
		printf("已发送%s学生的信息\n",st1.name);
		
		// 回合中第2步：客户端接收服务器的回复
		memset(&st1, 0, sizeof(st1));
		ret = recv(sockfd, &st1, sizeof(st1), 0);
		
		// 回合中第3步：客户端解析服务器的回复，再做下一步定夺
		if (st1.stat == STAT_OK)
		{
			printf("注册学生信息成功\n");
		}
		else
		{
			printf("注册学生信息失败\n");
		}

	}

	return 0;
}

服务器端代码：server.c

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define SERPORT		9003
#define SERADDR		"192.168.1.104"		// ifconfig看到的
#define BACKLOG		100		//貌似是最大能容纳的连接数

char recvbuf[100];

#define CMD_REGISTER	1001	// 注册学生信息
#define CMD_CHECK		1002	// 检验学生信息
#define CMD_GETINFO		1003	// 获取学生信息

#define STAT_OK			30		// 回复ok
#define STAT_ERR		31		// 回复出错了

typedef struct commu
{
	char name[20];		// 学生姓名
	int age;			// 学生年龄
	int cmd;			// 命令码
	int stat;			// 状态信息，用来回复
}info;


int main(void)
{
	int sockfd = -1, ret = -1, clifd = -1;
	socklen_t len = 0;
	//这里的结构为sockaddr_in结构体包含sin_port和sin_addr结构体，sin_addr结构体包含s_addr
	struct sockaddr_in seraddr = {0};
	struct sockaddr_in cliaddr = {0};
	
	// 第1步：先socket打开文件描述符	
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (-1 == sockfd)
	{
		perror("socket");
		return -1;
	}
	printf("socketfd = %d.\n", sockfd);
	
	// 第2步：bind绑定sockefd和当前电脑的ip地址&端口号
	seraddr.sin_family = AF_INET;		// 设置地址族为IPv4
	seraddr.sin_port = htons(SERPORT);	// 设置地址的端口号信息
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERADDR);	//　设置IP地址
	ret = bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("bind");
		return -1;
	}
	printf("bind success.\n");
	
	// 第3步：listen监听端口
	ret = listen(sockfd, BACKLOG);		// 阻塞等待客户端来连接服务器
	if (ret < 0)
	{
		perror("listen");
		return -1;
	}
	
	// 第4步：accept阻塞等待客户端接入
	clifd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
	printf("连接已经建立，client fd = %d.\n", clifd);

	// 客户端反复给服务器发
	while (1)
	{
		info st;
		// 回合中第1步：服务器收
		ret = recv(clifd, &st, sizeof(info), 0);

		// 回合中第2步：服务器解析客户端数据包，然后干活，
		if (st.cmd == CMD_REGISTER)
		{
			printf("用户要注册学生信息\n");
			printf("学生姓名：%s，学生年龄：%d\n", st.name, st.age);
			// 在这里服务器要进行真正的注册动作，一般是插入数据库一条信息
			
			// 回合中第3步：回复客户端
			st.stat = STAT_OK;
			ret = send(clifd, &st, sizeof(info), 0);
		}
		
	}

	return 0;
}

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