嵌入式养成计划-28-网络编程----网络编程基础

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六十四、网络编程基础

1. 网络基础

1.1 网络编程的概念

1. 网络编程就是进程间通信，只不过多个进程间不一定在同一台主机上。
2. 由于不在同一个主机上，不在同一个进程上就需要注意协议。

1.2 联网协议和层

• 联网协议：定义如何在一个网络上传输信息的一组规则

1.2.1 网络采用分层的思想

1. 在计算机网络体系中，采用层次化的思想，将通信协议中必要的功能进行分层。
2. 每一层都接收由它下一层所提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定的服务。
3. 上下层之间进行交互所遵循的约定叫做『接口』。
4. 同一层之间进行交互所遵循的约定叫做『协议』。
5. 『接口』 即相邻两层之间交换位置的连接点，是上层使用下层服务的入口。
6. 『协议』 即通信双方所做的一些约定，比如怎么开始通信、信息的格式与顺序、怎么结束通信等。

• 分层的好处：

1. 各层之间独立，每一层不需要知道下一层如何实现，而仅仅只需要知道该层通过层间的接口所提供的的服务。
2. 稳定，当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则这层以上或以下层不受影响。
3. 易于实现和维护（知道是什么功能，就到指定层去查找）
4. 促进标准化工作

1.2.2 OSI体系结构（重点！！）

• ISO（国际标准化组织）制定了一个国际标准OSI（开放式通讯系统互联参考模型），对通讯系统进行了标准化。
• 定义了7层模型
  
  
  顺口溜：（虽然貌似有点不顺）
  屋里(物理)数据要跑路，沿着链路上高速。—>物理层，数据链路层
  跑到高速没网络，数据传输靠不住。—>网络层，传输层
  掏出手机要叫人，一开会话嘟嘟嘟。—>会话层
  老铁表示要玩完，应用技术才懂路。—>表示层、应用层

1.2.3 TCP/IP协议介绍

• OSI模型是一个理想化的模型已经很少使用，没有完整的实现，但是模型本身非常通用。
• TCP/IP协议 是Internet事实上的工业标准
  
  

(1) 网络接口与物理层 也叫做网络访问层

• 功能：包括ip地址与物理地址的映射（MAC），以及将上一层的ip报文封装层帧，转换成二进制比特流传输
• MAC：物理地址，48bit全球唯一，网卡编号，网络设备的身份标识（cmd —>ipconfig/all），由厂商出厂后确定。
• 改变网络环境后，IP地址变，MAC地址不变
• 由电气电子工程协会IEEE定义。

部分协议举例：

• ARP/RARP 地址解析协议/逆向地址解析协议
• ARP（Address Resolution Protocol）：通过ip地址获取其对应的mac地址。
• RARP（Reverse Address Resolution Protocol）：通过mac地址获取其对应的ip地址。
• PPP（Point to Point Protocol）协议：拨号协议（GPRS/3G/4G）

MTU：最大传输单元：1500bytes
MSS：最大报文长度：1460bytes

(2) 网络层

• 负责在主机之间的通讯中选择数据包传输的路径，即选择路由。

① IP协议（Internet Protocol）

• ip协议根据数据包的目的ip地址来决定如何投递数据包。
• 如果数据包不能直接投递给目标主机，那么ip协议就为他寻找下一个合适的下一跳路由器。
• 路由器就是工作在网络层

② ICMP协议（Internet Control Management Protocol）

• 英特网控制管理协议，ping检测网络就是用这个协议
• 用于在IP主机、路由器之间传递控制消息
• ping 命令 使用的就是这个协议

③ IGMP协议（Internet Group Management Protocol）

• 英特网分组管理协议，组播，广播。

(3) 传输层（重点！）

• 负责提供应用程序之间通讯服务，这种服务又称之为端到端。
• 传输层与网络层不同，传输层只关心通讯的 起始端 和 目的端，并不在乎数据包的传输中转过程。
• TCP ：（transmission control Protocol 传输控制协议）：提供面向连接的，一对一的可靠数据传输协议。
• UDP ：（user datagram Protocol 用户数据报协议）：提供无连接的，不可靠的尽力的传输协议，但是效率更高

(4) 应用层

• 负责处理应用程序的逻辑

① HTTP/HTTPS
超文本传输协议，万维网数据通信的基础
http：明文发送， https加密传输

② 邮件协议
收： POP3（post office protocol）邮局协议第三个版本
从服务器接收右键，接收完后服务器就没有这个邮件了；

发： SMTP（简单邮件传输协议）

IMAP： 交互式邮件存储协议，与POP3类似的邮件访问标准协议之一。
收取邮件后，服务器上邮件依然存在，如果删除、标记服务器也会做相应操作。

③ FTP（FILE Transfer Protocol）
文件传输协议，是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用TCP传输

④ TFTP
简单文件传输协议，适用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用UDP传输

⑤ DNS
Telnet/ssh ：远程登录

1.2.4 网络封包与拆包

MTU ：

• Maximum Transmission Unit 最大传输单元
  • 物理接口（数据链路层）提供给上层（网络层（IP层））最大一次传输数据的大小。
  • 规定了数据链路层所能传送最大数据长度
  • 以太网为例，缺省MTU=1500字节，这是以太网接口对IP层的约束
  • 如果IP层<=1500字节需要发送，只需要一个IP包就可以
  • 如果IP层>1500字节需要发送，需要分片才能发送（分片：帧）

MSS：

• Maximum Segment Size 最大报文长度
  • TCP提交给IP层最大分段大小，指TCP报文所允许传送数据部分最大长度。
  • 不包含TCP头，MSS式TCP来限制应用层最大发送字节数。
  • 如果MTU=1500，则MSS = 1500-20(IP header)-20(TCP header) =1460字节
  • 如果应用有2000字节要发，需要2 Segment
  • 第一个TCP Segment = 1460 第二个TCP Segment = 540

1.3 TCP和UDP协议的异同点（重点！！！）

• 相同点： 都属于传输层协议
• 不同点：

1. TCP

1. 是提供面向连接的，可靠的稳定的数据传输协议。
2. 数据在传输过程中，无误，无丢失，无失序，无重复到达的通信。
	1.1 每一个数据包都会编上一个编号，该编号称之为序列号（seq），且每一个数据包都需要一个正确的应答包应答
	1.2 应答包：应答数据包，且通知对方下一次从哪个包开始发送（应答号：ack）。
3. 超时重传机制。
3. 传输效率低，耗费资源多。
4. 在数据链路层限制数据包大小（46~1500bytes），超出部分分帧发送。
5. 数据的收发是不同步的，会粘包（不存在数据边界）
	5.1 粘包：为了提高效率，将多个足够小，且发送间隔极短的数据包合成一个包发送，该现象称之为粘包现象，该算法称之为Nagle算法。

适用场景： 适用于对传输质量要求比较高，传输大量数据的通信，在需要可靠数据传输的场合，通常使用TCP协议。
例如： 网上购物付钱的时候，装备购买，账户密码登录的时候

2. UDP

1.是提供无连接的，不可靠的尽力的数据传输协议。
2.数据在传输过程中有可能出现，错误，丢失，失序，重复到达的通信。
3. 传输效率高
4. 限制每次传输的大小（46~1500bytes），超出部分直接删除。
5. 数据收发是同步的，不存在粘包现象（存在数据边界）

适用场景： 适用于对传输质量要求比较低，传输小尺寸数据的通信，给出应答比较困难的网络中使用。
例如： 广播/组播 直播 语音视频电话，多人竞技类游戏。

1.4 IP地址

• IP地址是因特网中主机的标识，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。
• IP地址是路由器下发的。（自动，手动）

1.4.1 IP地址的分类

1. IPv4：占4个字节，采用32bit的无符号整数来存储IP地址。[0, 2^32-1]，给你个2^32个 = 42.9亿
	1.1 局域网：为了解决IP地址不够用的问题，让多台主机使用同一个广域网IP地址。
	1.2 广域网：与外界通信的网络环境。
	1.3 每一个IP地址都可以下发一个局域网。

2. IPv6：占16个字节，采用128bit的无符号整数来存储IP地址。[0, 2^128-1]；
	2.1 容量足够多，能够给地球上的每一粒沙子都分配一个IP地址。
	2.2 IPv4往IPv6过渡的阶段还未完成。IPv4和IPv6尚不兼容。

桥接模式和net模式的区别？
桥接模式：windows和ubuntu是兄弟关系，连接同一个路由器
net模式：windows当做路由器，下发一个网络给ubuntu

1.4.2 IP地址划分

• 由于IP地址基数比较大，所以为了提高寻径效率，则将IP地址划分成二级IP地址;

  • 二级IP地址 = 网络号 + 主机号
  • 网络号： 确定计算机从属的物理网络地址（确定是哪个村子的）
  • 主机号： 确定网络号后，用主机号标识该网络号中的所有主机。（确定是哪个村子后，在村子中找到设备的编号）
    

  注意：

  • ABC类为基本类，可以分配给主机使用，且只有ABC类可以分配给主机使用
  • D类：不表示网络，用于特殊用途：组播，多播组
  • E类：保留，或者实验室使用。

1.4.3 点分十进制

• 使用点分十进制是为了方便记忆。
• 将32位IP地址的二进制数，以8bit为一组，用十进制表示，利用点分割

在ABC类中的特殊IP地址：不能分配给主机使用。（掐头去尾）

• 网络地址：代表该网络的。由有效网络号 + 全是0的主机号组成
  如：
  110.1.2.3 —> A类IP地址 —>网络号是前8bit —>110.0.0.0
  129.1.2.3 —> B类IP地址 —>网络号是前16bit —>129.1.0.0
  200.1.2.3 —> C类IP地址 —>网络号是前24bit —>200.1.2.0
• 广播地址：向该IP地址发送，代表给当前网络下的所有主机发送数据。由有效网络号 + 全是1的主机号组成
  如：
  110.1.2.3 —> A类IP地址 —> 网络号是前8bit —> 110.255.255.255
  129.1.2.3 —> B类IP地址 —> 网络号是前16bit —> 129.1.255.255
  200.1.2.3 —> C类IP地址 —> 网络号是前24bit —> 200.1.2.255

1.4.4 子网掩码（重点！）

• 二级IP地址划分后，主机的基数还是比较大，所以引入了另外一个概念：子网掩码。利用子网掩码可以将主机号进行再次划分：
  • IP = 网络号 + 子网号 + 主机号
  • 三级划分比较灵活，可以选择划分，也可以选择不划分，可以选择划分出2部分，4部分，8部分…2^n（n=0,1,2…）
    

(1) 子网掩码的概念

• 子网掩码 ：用于将一个大的IP网络中的主机号划分为若干小的子网络（常用）。
  1. 指明一个IP地址的哪些位表示的是主机所在的子网
  2. 指明哪些位表示的是主机的位掩码。
  3. 子网掩码不能单独使用，必须结合IP地址一起使用

将若干个小网络组合成一个大的局域网（称之为超网技术）。

• 子网掩码的格式：
  1. 与IP地址一样长的32位无符号整数，是由一串连续的1，后面跟着一串连续的0组成。
  2. 默认子网掩码的格式：
     1的个数与IP地址中网络号的个数一致
     0的个数与IP地址中主机号的个数一致。

(2) 默认子网掩码

A类IP地址的默认子网掩码：11111111 00000000 00000000 00000000 ===> 255.0.0.0
B类IP地址的默认子网掩码：11111111 11111111 00000000 00000000 ===> 255.255.0.0
C类IP地址的默认子网掩码：11111111 11111111 11111111 00000000 ===> 255.255.255.0
子网掩码是对主机号做再次划分，D类E类没有主机号，所以没有子网掩码。

C类IP地址的默认子网掩码：11111111 11111111 11111111 00000000 ===> 255.255.255.0
                       11111111 11111111 11111111 10000000 ===> 255.255.255.128
                       11111111 11111111 11111111 11000000 ===> 255.255.255.192
                       11111111 11111111 11111111 11100000 ===> 255.255.255.224
                       
                       11111111 11111111 11111111 00000011 ===> 1不连续错误的！！！

(3) 格式用法：IP & 子网掩码=子网网段

(1) 1个子网网段

192.168.125.229 & 255.255.255.0
11000000 10101000 01111101 11100101 ===> 192.168.125.229
11111111 11111111 11111111 00000000 ===> 255.255.255.0
------------------------------------------------------------------------------
11000000 10101000 01111101 00000000 ===> 192.168.125.0  子网网段
即192.168.125.229属于192.168.125.0该子网网段。
在00000000-11111111该范围内的主机号，&上255.255.255.0这个子网掩码，得到的结果均为192.168.125.0  子网网段。
即0~255这个范围内的主机号，均为192.168.125.0  子网网段。
所以没有划分出新的子网，所有主机号都在192.168.125.0  子网网段内。

该子网网段可以写作：192.168.125.0/24 (24代表该子网网段是通过有24个1的子网掩码得到)。
这个子网网段内的主机号是多少个 2^8个= 256个。

(2) 2个子网网段

192.168.125.229 & 255.255.255.128
11000000 10101000 01111101 1 1100101 ===> 192.168.125.229
11111111 11111111 11111111 1 0000000 ===> 255.255.255.128
----------------------------------------------------
11000000 10101000 01111101 1 0000000 ===> 192.168.125.128  子网网段
范围：如下范围的主机号[128, 255]，& 255.255.255.128得到的结果均为192.168.125.128/25  子网网段。
11000000 10101000 01111101 1 0000000 ===> 192.168.125.128
11000000 10101000 01111101 1 1111111 ===> 192.168.125.255

192.168.125.127 & 255.255.255.128
11000000 10101000 01111101 0 1111111 ===> 192.168.125.127
11111111 11111111 11111111 1 0000000 ===> 255.255.255.128
----------------------------------------------------
11000000 10101000 01111101 0 0000000 ===> 192.168.125.0  子网网段
范围：如下范围的主机号[0, 127]，& 255.255.255.128得到的结果均为192.168.125.0/25  子网网段。
11000000 10101000 01111101 0 0000000 ===> 192.168.125.0
11000000 10101000 01111101 0 1111111 ===> 192.168.125.127

综上所述，
通过255.255.255.128可以将192.168.125.0该网络划分出2个子网
每个子网中有2^7个主机号。

特殊的IP地址：

• 每个子网网段中，都有自己的子网网段地址。有效网络号+有效子网号+全是0的主机号 。 掐头
• 每个子网网段中，都有自己的子网广播地址。 去尾
• 总结：每个子网网段都需要掐头去尾

1.4.5 网关

• 网关是一个网络通向其他网络的IP地址
• 目前家用路由器一般使用192.168.1.1和192.168.0.1作为LAN接口的地址，这个两个也是最常用的网关地址。
  

1.4.6 域名系统

• 由于使用IP地址来指定计算机不方便人们记忆，且输入时候容易出错，用字符标识网络种计算机名称方法。

• 这种命名方法就像每个人的名字，这就是域名（Domian Name）

• 域名服务器（Domain Name server）： 用来处理IP地址和域名之间的转换。

• 域名系统（Domain Name System，DNS）： 域名翻译成IP地址的软件

• 一个域名，可以绑定多个ip

域名结构

• 例如域名 www.baidu 从右向左看
  cn为高级域名，也叫一级域名，它通常分配给主干节点，取值为国家名，cn代表中国
  com为网络名，属于二级域名，它通常表示组织或部门
  中国互联网二级域名共40个，edu表示教育部门，com表示商业部门，gov表示政府，军队mil等等
  baidu为机构名，在此为三级域名，表示百度
  www：万维网 world wide web，也叫环球信息网，是一种特殊的信息结构框架。

1.4.7 端口号

• 为了区分一台主机收到的数据包交给哪个进程处理，使用端口号来区分。程序启动后将端口号和进程绑定在一起。
• 网络里面的通讯是由 IP地址+端口号 来决定
• 端口号存储在 2个字节 无符号整数中 （unsigned short int）。[1, 65535]
• 常见的端口号：

1~1023  端口我们编程时候不要使用，是那些 系统/规定 应用程序占了
	TCP 21端口：FTP文件传输服务
	TCP 23端口：TELNET终端仿真服务
	TCP 25端口：SMTP简单邮件传输服务
	TCP 110端口：POP3邮局协议版本3
	TCP 80端口：HTTP超文本传输服务
	TCP 443端口：HTTPS加密超文本传输服务
	UDP 53端口：DNS域名解析服务
	UDP 69端口：TFTP文件传输服务

• 可以使用的：1024~49151，就是我们平时编写服务器使用的端口号
• 临时端口号：49152~65535，这部分是客户端运行时候动态选择的

TCP和UDP的端口号是相互独立的： 有时TCP和UDP用到了同一个端口，也是能用的

2. 跨主机传输

2.1 字节序（重点！）

2.1.1 字节序的概念

1. 字节序是不同类型CPU主机，内存存储 多字节整数 序列的方式。
   1. char 字符串 float double均没有字节序的说法
   2. short int long long long有字节序的说法
2. 小端字节序：低字节存储在低地址上，高字节存储在高地址上。
3. 大端字节序：低字节存储在高地址上，高字节存储在低地址上。

首地址都是低地址，数据的读取都是从低地址往高地址读取，经过大小端转换后得出结果。

2.1.2 本地字节序与网络字节序

本地字节数：主机字节序（Host Byte Order） HBO
网络字节序（Network Byte Order） NBO，网络字节序规定使用大端字节序。
在跨主机传输过程中，需要使用统一的字节序，即网络字节序，避免兼容性问题。

2.1.3 字节序转换函数

2.1.3.1 htons htonl 主机字节序–>网络字节序

头文件：
       #include <arpa/inet.h>
​
       uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
       uint16_t htons(uint16_t hostshort);
参数：
    指定要转换成网络字节序的整型：分别是32bit和16bit;
返回值：
    成功，返回转换后网络字节序的整型​

示例：

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
​
int main(int argc, const char *argv[])
{
    unsigned int a = 0x87654321;
    printf("%#x\n", a);             //0x87654321
    printf("%#x\n", htonl(a));      //0x21436587
​
    printf("%#x\n", htons(a));      //0x2143                 
    
    return 0;
}   

2.1.3.2 ntohs ntohl 网络字节序---->主机字节序

头文件：
       #include <arpa/inet.h>
原型：
       uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
       uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
参数：
    uint32_t hostlong：32位网络字节序整型;
    uint16_t hostshort：16位网络字节序整型;
​
返回值：
    成功，返回转换成主机字节序的整型;

2.1.4 结构体对齐

• 编译器会对结构体进行对齐，加速CPU取值周期，由于数据对齐也是与操作系统相关，不同的主机如果使用不同的对齐方式，会导致数据无法解析。
• 所以网络传输结构体的时候需要取消结构体对齐；

例如：

#include <stdio.h>
​
#pragma pack(1)         //设置默认对齐系数 ：（）中的参数只能填2^n (n=0,1,2,3,4,5......)  
​
typedef struct
{
    char a;     //1
    int b;      //4
    int d;      //4
}_A;
​
#pragma pack()      //重置默认对其系数,重新置为8
​
typedef struct
{
    char a;     //1
    int b;      //4
    int d;      //4
} __attribute__((packed))  B;       //取消结构体对齐
​
​
typedef struct
{   
    char a;     //1
                //3
    int b;      //4
    int d;      //4
}_C;
​
int main(int argc, const char *argv[])
{   
    printf("%ld\n", sizeof(_A));    //9
    printf("%ld\n", sizeof(_B));    //9
    printf("%ld\n", sizeof(_C));    //12
​
    
    return 0;
}

2.1.5 类型长度

• 因为涉及到跨平台，不同平台会有不同的字长
• int long int不同操作系统这两个数据类型所占的字节数可能是不一样的
• 解决方式：可以通过通用类型：uint8_t uint16_t uint32_t

#include <stdint.h>
​
typedef struct
{
    uint8_t a;      //1
    uint32_t b;      //4
    uint16_t d;      //2
}_A;

2.2 IP转换

• 由于IP地址本质上是一个4个字节的无符号整数，所以在跨主机传输中也有字节序的概念。
• 所以需要将IP地址转换成网络字节序。
• “192.168.8.189” ---->本机字节序的整型 0xC0A808BD---->网络字节序0xBD08A8C0
• “192.168.31.42”----> 0xC0A81F2A ---->0x2A1FA8C0

2.2.1 点分十进制—>网络字节序

2.2.1.1 inet_aton

• 只能转换IPv4

头文件：
       #include <sys/socket.h>
       #include <netinet/in.h>
       #include <arpa/inet.h>
原型：
       int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
参数：
    char *cp：源IP地址的点分十进制字符串，例如 “192.168.1.10”;
    struct in_addr *inp：存储转换成网络字节序的IP;
           typedef uint32_t in_addr_t;
           struct in_addr {
               in_addr_t s_addr;
           };
返回值：
    成功，返回非0;
    失败，返回0;

例子：

 #define IP  "192.168.1.10"      //0xC0A8010A
 int main(int argc, const char *argv[])
 {
     struct in_addr inp;
 
     if(inet_aton(IP, &inp) == 0)
     {
         printf("转换失败\n");
         return -1;
     }
 
     printf("%#X\n", inp.s_addr);    //0X0A01A8C0
                                                           
     return 0;
 }                                                          

2.2.1.2 inet_pton

• 既可以转IPv4也能处理IPv6

头文件：
       #include <arpa/inet.h>
原型：
       int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
参数：
    int af：协议族
            AF_INET         IPV4
            AF_INET6        IPV6
     char *src：指定要转换成网络字节序的点分十进制字符串;
     void* dst
           typedef uint32_t in_addr_t;
           struct in_addr {
               in_addr_t s_addr;
           };
​
            af == AF_INETa;
            struct in6_addr
            {
            }
返回值：
    成功，返回1；
    失败，返回0或者-1，更新errno;

例子：

#define IP "192.168.1.3" //0xC0A80103 --> 0x301A8C0 
​
struct in_addr inp;
inet_pton(AF_INET, IP, &inp);
printf("%#X\n", inp.s_addr);        //0x301A8C0 

2.2.1.3 inet_addr

• 最常用

• 只能转换IPv4

  头文件：
  	#include <sys/socket.h>
  	#include <netinet/in.h>
  	#include <arpa/inet.h>
  原型：
  	uint32_t inet_addr(const char *cp);
  参数：
  	char *cp：源IP地址的点分十进制字符串，例如 “192.168.1.10”;
  返回值：
  	成功，返回转换后的网络字节序IP地址;
  	typedef uint32_t in_addr_t;
  	​
  	失败，返回INADDR_NONE (usually -1);
  

例子：

​printf("%#X\n", inet_addr(IP));

2.2.2 网络字节序—>点分十进制

2.2.2.1 inet_ntoa 常用

• 只能转换IPv4;

头文件：
       #include <sys/socket.h>
       #include <netinet/in.h>
       #include <arpa/inet.h>
原型：
       char *inet_ntoa(struct in_addr in);
参数：
    struct in_addr in：指定要转换成点分十进制字符串的IP地址;
           typedef uint32_t in_addr_t;
           struct in_addr {
               in_addr_t s_addr;
           };
返回值：
    成功，返回点分十进制字符串的首地址;

printf("%s\n", inet_ntoa(inp));

2.2.2.2 inet_ntop

头文件：
       #include <arpa/inet.h>
原型：
       const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
参数：
    int af：协议族
            AF_INET         IPV4
            AF_INET6        IPV6
    void* src：存储要转换成点分十进制字符串的IP首地址;
           typedef uint32_t in_addr_t;
           struct in_addr {
               in_addr_t s_addr;
           };
​
            af == AF_INETa;
            struct in6_addr
            {
            }
    char *dst：存储转换后的结果，点分十进制的首地址;
    socklen_t size：缓冲区大小，其实就是指定多大的空间用于转换IP;
返回值：
    成功，返回字符串的首地址，就是dst;
    失败，返回NULL，更新errno;    

例子：

char ip[20];
if(inet_ntop(AF_INET, &inp, ip, sizeof(ip)) == NULL)
{
	perror("ient_ntop");
	return -1;                                            
}
printf("%s\n", ip);

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