《Unix/Linux系统编程》第十三章学习笔记-20191304商苏赫

TCP/IP网络编程

TCP/IP协议

TCP代表传输控制协议，IP代表互联网协议。TCP/IP各个层级及每个层级代表性组件和功能：

• 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,除此之外也可以用主机名来表示。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）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
  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。发往IP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IP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。这个特性可以让我们在同一台计算机上运行TCP/IP 应用程序，而不需要实际连接到互联网。

• 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。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。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
  IP数据包由IP头、发送方IP 地址和接收方IP 地址以及数据组成。每个IP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
  路由器是接收和转发数据包的特殊IP主机，如果IP主机相距很远，需要借助路由器来转发数据包。每个IP包在1P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。

• UDP
  UDP（用户数据报协议）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。

• 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)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。

• 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，就是大端。一些库函数比如htons()、htonl()、ntohs()、ntohl()等可以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

网络编程平台
服务器-客户机计算模型
大多数网络编程任务都基于服务器-客户机计算模型。在服务器-客户机计算模型中，我们首先在服务器主机上运行服务器进程。然后，我们从客户机主机运行客户机。在 UDP 中，服务器等待来自客户机的数据报，处理数据报并生成对客户机的响应。在TCP 中、服务器等待客户机连接。客户机首先连接到服务器，在客户机和服务器之间建立一个虚拟电路。建立连接后，服务器和客户机可以交换连续的数据流。

套接字

• 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。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。netdb.h和sys/socket.h中有套接字地址结构的定义。

• 套接字地址

struct sockaddr_in{
	sa_family_t sin_family;
	in_port_t sin_port;
	struct in_addr sin_addr;
};
struct in_addr{
	uint32_t s_addr;
};  

• 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（）/recvfrom（）调用中提供一个包含服务器IP和端口号的套接字地址。

实践

客户端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>

#define BUFLEN 256
#define SERVER_PORT 8888
#define SERVER_HOST "121.37.93.202"

char line[BUFLEN];
struct sockaddr_in server;
int sock, rlen, slen = sizeof(server);

int main()
{
    printf("creat a udp socket\n");
    sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

    printf("fill me with server address and port numbers\n");
    memset((char *)&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    //inet_aton(SERVER_HOST, &server.sin_addr);
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_HOST);

   while(1)
   {
       printf("enter a line:");
       fgets(line, BUFLEN,stdin);
       line[strlen(line)-1] = 0;
       printf("send line to server\n");
       sendto(sock,line, strlen(line),0,(struct sockaddr *)&server,slen);
       memset(line, 0, BUFLEN);
       printf("try to receive\n");
       rlen = recvfrom(sock,line,BUFLEN,0,(struct sockaddr *)&server, &slen);
       printf("rlen=%d: line=%s\n",rlen,line);
   }
}

服务器：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>

#define BUFLEN 256
#define PORT 8888

char line[BUFLEN];
struct sockaddr_in me, client;
int sock, rlen, clen = sizeof(client);

int main()
{
    printf("creat a udp socket\n");
    sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

    printf("fill me with server address and port numbers\n");
    memset((char *)&me, 0, sizeof(me));
    me.sin_family = AF_INET;
    me.sin_port = htons(PORT);

    //inet_aton("121.37.93.202", &me.sin_addr);
    me.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    printf("bind socket to server IP and port\n");
    bind(sock, (struct sockaddr*)&me, sizeof(me));

    printf("wait for data\n");
    while(1)
    {
        memset(line, 0, BUFLEN);
        printf("waiting for data\n");
        rlen = recvfrom(sock, line,BUFLEN,0,(struct sockaddr *)&client, &clen);
        printf("recive from [host:prot]= [%s:%d]\n",inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));
        printf("rlen=%d: line=%s\n",rlen,line);
        printf("send reply\n");
        sendto(sock, line, rlen, 0, (struct sockaddr*)&client, clen);

    }
}