TCP/IP和网络编程
本章论述了 TCP/IP和网络编程，分为两个部分。第一部分论述了 TCP/IP协议及其应 用，具体包括TCP/IP栈、IP地址、主机名、DNS、IP数据包和路由器；介绍了 TCP/IP网 络中的UDP和TCP协议、端口号和数据流；阐述了服务器-客户机计算模型和套接字编程 接口；通过使用UDP和TCP套接字的示例演示了网络编程。第一个编程项目可实现一对通 过互联网执行文件操作的TCP服务器-客户机，可让用户定义其他通信协议来可靠地传输 文件内容。
本章的第二部分介绍了 Web和CGI编程，解释了 HTTP编程模型、Web页面和Web浏 览器；展示了如何配置Linux HTTPD服务器来支持用户Web页面、PHP和CG1编程；阐 释了客户机和服务器端动态Web页面；演示了如何使用PHP和CGI创建服务器端动态Web 页面。第二个编程项目可让读者在Linux HTTPD服务器上通过CGI编程实现服务器端动态 Web页面。
TCP/IP 协议
TCP/IP (Comer 1988, 2001; RFC1180 1991 )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IPv6o IPv4使用32位地址，IPv6则 使用128位地址。本节围绕IPv4进行讨论，它仍然是目前使用最多的IP版本。TCP/IP的 组织结构分为几个层级，通常称为TCP/IP堆栈
IP主机和IP地址
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。为 了方便起见，32位的IP地址号通常用点记法表示，实际上，应用程序通常使用主 机名而不是IP地址。在这个意义上说，主机名就等同于IP地址，因为给定其中一个，我们 可以通过DNS (域名系统)(RFC 134 1987; RFC 1035 1987 )服务器找到另一个，它将IP地 址转换为主机名，反之亦然。
IP地址分为两部分，即NetworkID字段和HostID字段。根据划分，1P地址分为A~E 类。
IP协议
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。】p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。这 意味着ip并非可靠的协议。必要时，必须在ip层的上面实现可靠性。
IP数据包格式
路由器
ip主机之间可能相距很远。通常不可能从一个主机直接向另一个主机发送数据包。路 由器是接收和转发数据包的特殊ip主机。如果有的话， 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。
UDP
UDP （用户数据报协议）（RFC 768 1980; Comer 1988 ）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.它可用于可靠性不重要的情况。
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。在这种情况下，最好使用UDP,因为不要求可靠性。
TCP
TCP （传输控制协议）是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
在各主机上，多个应用程序（进程）可同时使用TCP/UDP.每个应用程序由三个组成部分唯一标识
应用程序=(主机IP,协议，端口号)
其中，协议是TCP或UDP,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。
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
网络编程
所有Unix/Linux系统都为网络编程提供TCP/IP支持。本节，我们将会阐释用于网络编 程的平台和服务器-客户机计算模型。
套接字编程
在网络编程中，TCP/IP的用户界面是通过一系列C语言库函数和系统调用来实现的，这些函数和系统调用统称为套接字API((Rago1993;Stevens等2004)。为了使用套接字 API，我们需要套接字地址结构，它用于标识服务器和客户机。netdbh和sys/socketh中有套接字地址结构的定义。
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; // AF_INET for TCP/IP
in port_t sinport; // port number
struct in_addr sin_addr; // IP address
};
struct in_addr{ //internet address
uint32_t s_addr; // IP address in network byte order
};
在套接字地址结构中，
TCP/IP网络的sin family始终设置为AFINET。 sin port包含按网络字节顺序排列的端口号。
sinaddr是按网络字节顺序排列的主机IP地址。
套接字API
服务器必须创建一个套接字，并将其与包含服务器IP地址和端口号的套接字地址绑定。它可以使用一个固定端口号，或者让操作系统内核选择一个端口号(如果sin_port为0)。为了与服务器通信，客户机必须创建一个套接字。对于UPD套接字，可以将套接字绑定到服务器地址。如果套接字没有绑定到任何特定的服务器，那么它必须在后续的sendto() recyfrom()调用中提供一个包含服务器IP和端口号的套接字地址。下面给出了socket()系统调用，它创建一个套接字并返回一个文件描述符
1、int套接字(int域，int类型int协议)示例:
int udp_sock=socket(AF INETSOCK_DGRAM,0);将会创建一个用于发送/接收UDP数据报的套接字。
int tep_sock= socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
将会创建一个用于发送/接收数据流的面向连接的TCP套接字。
新创建的套接字没有任何相联地址。它必须与主机地址和端口号绑定，以识别接收主机或发送主机。这通过bind0系统调用来完成。
2、int bind(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen)
bind()系统调用将addr指定的地址分配给文件描述符sockfd所引用的套接字，addrlen指定addr所指向地址结构的大小(以字节为单位)。对于用于联系其他UDP服务器主机的 UDP套接字，必须绑定到客户机地址，允许服务器发回应答。对于用于接收客户机连接的TCP套接字，必须先将其绑定到服务器主机地址。
3、UDP套接字
UDP套接字使用sendto()/recvfrom0)来发送/接收数据报。
ssizetsendto(int sockfd, const void *buf, sizet len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssizet recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklent *addrlen);
sendto()将缓冲区中的len字节数据发送到由destaddr标识的目标主机，该目标主机包含目标主机IP和端口号。recvfrom()从客户机主机接收数据。除了数据之外，它还用客户机的IP和端口号填充srcaddr，从而允许服务器将应答发送回客户机。
4、TCP套接字
在创建套接字并将其绑定到服务器地址之后，TCP服务器使用listen()和accept()来接收来自客户机的连接
int listen(int sockfdint backlog);
listen()将sockfd引用的套接字标记为将用于接收入连接的套接字。backlog参数定义了等待连接的最大队列长度。
int accept(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen t *addrlen);
accept()系统调用与基于连接的套接字一起使用。它提取等待连接队列上的第一个连接请求用于监听套接字sockfd，创建一个新的连接套接字，并返回一个引用该套接字的新文件描述符，与客户机主机连接。在执行accept()系统调用时TCP服务器阻塞，直到客户机通过 connect))建立连接。
实践
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>//inet_addr() sockaddr_in
#include <string.h>//bzero()
#include <sys/socket.h>//socket
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>//exit()
#define BUFFER_SIZE 1024
int main() {
char listen_addr_str[] = "0.0.0.0";
size_t listen_addr = inet_addr(listen_addr_str);
int port = 8080;
int server_socket, client_socket;
struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
socklen_t addr_size;
char buffer[BUFFER_SIZE];//缓冲区大小
int str_length;
server_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);//创建套接字
bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));//初始化
server_addr.sin_family = INADDR_ANY;
server_addr.sin_port = htons(port);
server_addr.sin_addr.s_addr = listen_addr;
if (bind(server_socket, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
printf("绑定失败\n");
exit(1);
}
if (listen(server_socket, 5) == -1) {
printf("监听失败\n");
exit(1);
}
printf("创建tcp服务器成功\n");
fd_set reads,copy_reads;
int fd_max,fd_num;
struct timeval timeout;
FD_ZERO(&reads);//初始化清空socket集合
FD_SET(server_socket,&reads);
fd_max=server_socket;
while (1) {
copy_reads = reads;
timeout.tv_sec = 5;
timeout.tv_usec = 5000;
//无限循环调用select 监视可读事件
if((fd_num = select(fd_max+1, ©_reads, 0, 0, &timeout)) == -1) {
perror("select error");
break;
}
if (fd_num==0){//没有变动的socket
continue;
}
for(int i=0;i<fd_max+1;i++){
if(FD_ISSET(i,©_reads)){
if (i==server_socket){//server_socket变动,代表有新客户端连接
addr_size = sizeof(client_addr);
client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *) &client_addr, &addr_size);
printf("%d 连接成功\n", client_socket);
char msg[] = "恭喜你连接成功";
write(client_socket, msg, sizeof(msg));
FD_SET(client_socket,&reads);
if(fd_max < client_socket){
fd_max=client_socket;
}
}else{
memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
str_length = read(i, buffer, BUFFER_SIZE);
if (str_length == 0) //读取数据完毕关闭套接字
{
close(i);
printf("连接已经关闭: %d \n", i);
FD_CLR(i, &reads);//从reads中删除相关信息
} else {
printf("%d 客户端发送数据:%s \n", i, buffer);
write(i, buffer, str_length);//将数据发送回客户端
}
}
}
}
}
return 0;
}
