《Unix/Linux系统编程》第十一周学习笔记

《Unix/Linux系统编程》第十一周学习笔记

TCP/IP协议

• TCP/IP 是互联网的基础。TCP代表传输控制协议。IP代表互联网协议。目前有两个版本的IP,即IPv4和IPv6。IPv4使用32位地址，IPv6则使用128位地址。

TCP/IP的组织结构分为几个层级，通常称为TCP/IP堆栈。

• 顶层是使用TCP/IP的应用程序。用于登录到远程主机的ssh、用于交换电子邮件的邮件、用于Web页面的http等应用程序需要可靠的数据传输。通常，这类应用程序在传输层使用TCP。另一方面有些应用程序，例如用于查询其他主机的ping命令，则不需要可靠性。这类应用程序可以在传输层使用UDP来提高效率。
• 主机:主机是支持TCP/IP协议的计算机或设备。每个主机由一个32位的IP地址来标识。
• IP地址：分为两部分，即NetworkID字段和HostID字段。根据划分，IP地址分为A~E类。例如，一个B类P地址被划分为一个16位NetworkID，其中前2位是10，然后是一个16位的HostID字段。发往P地址的数据包首先被发送到具有相同networkID 的路由器。路由器将通过HostID将数据包转发到网络中的特定主机。每个主机都有一个本地主机名localhost，默认P地址为127.0.0.1。本地主机的链路层是一个回送虚拟设备，它将每个数据包路由回同一个 localhost。
• IP协议：用于在IP主机之间发送/接收数据包。IP尽最大努力运行。IP主机只向接收主机发送数据包，但它不能保证数据包会被发送到它们的目的地，也不能保证按顺序发送。
• IP数据包：由IP头、发送方地址和接收方IP地址以及数据组成。
• IP数据包格式：每个数据包的大小最大为64KB。IP头包含有关数据包的更多信息，例如数据包的总长度、数据包使用TCP还是UDP、生存时间(TTL)计数、错误检测的校验和等。
• 路由器：接收和转发数据包的特殊IP主机。一个IP数据包可能会经过许多路由器，或者跳跃到达某个目的地。每个IP包在IP报头中都有一个8位生存时间(TTL)计数，其最大值为255。在每个路由器上，TTL会减小1。如果TTL减小到0，而包仍然没有到达目的地，则会直接丢弃它。这可以防止任何数据包在IP网络中无限循环。
• UDP：在IP上运行，用于发送/接收数据报。与IP类似，UDP不能保证可靠性，但是快速高效。
  如ping是一个向目标主机发送带时间戳UDP包的应用程序。接收到一个pinging数据包后，目标主机将带有时间戳的UDP包回送给发送者，让发送者可以计算和显示往返时间。如果目标主机不存在或宕机，当TTL减小为0时，路由器将会丢弃pinging UDP数据包。在这种情况下，用户会发现目标主机没有任何响应。用户可以尝试再次ping，或者断定目标主机宕机。
• TCP：一种面向连接的协议，用于发送/接收数据流。TCP也可在IP上运行，但它保证了可靠的数据传输。通常，UDP类似于发送邮件的USPS，而TCP类似于电话连接。
• 端口编号：端口号是分配给应用程序的唯一无符号短整数。要想使用UDP或TCP，应用程序（进程）必须先选择或获取一个端口号。前1024个端口号已被预留。其他端口号可供一般使用。应用程序可以选择一个可用端口号，也可以让操作系统内核分配端口号。
• 应用程序 = （主机IP， 协议， 端口号）
• 网络和主机字节序：计算机可以使用大端字节序，也可以使用小端字节序。在互联网上，数据始终按网络序排列，这是大端。在小端机器上，例如基于Intel x86的PC，htons()、htonl()、ntohs()、ntohl()等库函数，可在主机序和网络序之间转换数据。
• TCP/IP网络中的数据流
  

实践内容

udp实践

server

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define SERVER_PORT 9999
#define BUFF_LEN 1024

void handle_udp_msg(int fd)
{
    char buf[BUFF_LEN];  //接收缓冲区，1024字节
    socklen_t len;
    int count;
    struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用于记录发送方的地址信息
    while(1)
    {
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        len = sizeof(clent_addr);
        count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len);  //recvfrom是拥塞函数，没有数据就一直拥塞
        if(count == -1)
        {
            printf("recieve data fail!\n");
            return;
        }
        printf("client:%s\n",buf);  //打印client发过来的信息
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);  //回复client
        printf("server:%s\n",buf);  //打印自己发送的信息给
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //发送信息给client，注意使用了clent_addr结构体指针

    }
}


/*
    server:
            socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close
*/

int main(int argc, char* argv[])
{
    int server_fd, ret;
    struct sockaddr_in ser_addr;

    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP
    if(server_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，需要进行网络序转换，INADDR_ANY：本地地址
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口号，需要网络序转换

    ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
    if(ret < 0)
    {
        printf("socket bind fail!\n");
        return -1;
    }

    handle_udp_msg(server_fd);   //处理接收到的数据

    close(server_fd);
    return 0;
}

client

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define SERVER_PORT 9999
#define BUFF_LEN 512
#define SERVER_IP "127.0.0.1"


void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst)
{

    socklen_t len;
    struct sockaddr_in src;
    while(1)
    {
        char buf[BUFF_LEN] = "TEST UDP MSG!\n";
        len = sizeof(*dst);
        printf("client:%s\n",buf);  //打印自己发送的信息
        sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
        memset(buf, 0, BUFF_LEN);
        recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len);  //接收来自server的信息
        printf("server:%s\n",buf);
        sleep(1);  //一秒发送一次消息
    }
}

/*
    client:
            socket-->sendto-->revcfrom-->close
*/

int main(int argc, char* argv[])
{
    int client_fd;
    struct sockaddr_in ser_addr;
    
client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(client_fd < 0)
    {
        printf("create socket fail!\n");
        return -1;
    }

    memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
    ser_addr.sin_family = AF_INET;
    //ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //注意网络序转换
    ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //注意网络序转换

    udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);

    close(client_fd);

    return 0;
}