第13章 TCP/IP和网络编程

TCP/IP协议

TCP代表传输控制协议，IP代表互联网协议。目前有两个版本的IP，即IPv4和IPv6。IPv4使用32位地址（目前使用最多），IPv6使用128位地址。
TCP/IP的组织结构氛围几个层级，通常称为TCP/IP堆栈

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mail、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。
具体来说，IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都属于 TCP/IP 协议。他们与 TCP 或 IP 的关系紧密，是互联网必不可少的组成部分。TCP/IP 一词泛指这些协议，因此，有时也称 TCP/IP 为网际协议群。
传输层负责以包的形式向IP主机/接收来自IP主机的应用程序数据。进程和主机之间的传输层或其上方的数据传输只是逻辑传输。实际数据传输发生在互联网（IP）和链路层，这些层将数据包分成数据帧，以便在物理网络间传输。

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，例如:134.121.64.1，其中各个字节用点号分开。
主机也可以用主机名来表示，如dnsl.eec.wsu.edu。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，IP地址分为A~F类。例如，一个B类IP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127001。
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数据包

每个IP数据包的大小最大为64KB。

路由器

路由器是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。每个IP包在IP报头中都有一个8位生存时间（TTL），最大值为255.在每个路由器上，TTL会减一，如果减到0仍没有达到目的地，就直接丢弃。

UDP/TCP

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。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（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门唯一标识

应用程序=（主机IP，协议，端口号） 前1024个端口号已经被预留，其他端口号一般可用

套接字编程

什么是socket

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）。
说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单,是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。

套接字连接流程

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

套接字相关函数

socket()函数

   ` int  socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd，sockfd是描述符。`

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。
注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函数的三个参数分别为：

sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* 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 AF_INET。
sin_port包含按网络字节顺序排列的端口号。
sin addr是按网络字节顺序排列的主机IP地址。

ipv6对应的是：

struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};

struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};

Unix域对应的是：

#define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

addrlen：对应的是地址的长度。
通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

listen()、connect()函数

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。
connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。
参数addr是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。
参数len也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。

如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。

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。

TCP三次握手示意图如下：

一个客户端只有一个sock（文件描述符），而一个服务器最少有两个（一个是自己创建socket时的sock，剩下的是每有一个客户端连接服务器就生成一个sock文件描述符）。

在数据传输过程中，即相当于文件的读写操作：

四次挥手在socket API上的接口表示为关闭各自拥有的文件描述符即可。

编程实践

serve_tcp.c：


/*serve_tcp.c*/
#include<stdio.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<stdlib.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main(){
	//创建套接字
	int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//使用ipv4协议族,socket类型是SOCK_STREAM,TCP传输协议。返回指向这个socket的文件描述符
	//初始化socket元素
	struct sockaddr_in serv_addr;
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
	serv_addr.sin_port = htons(1234);

	//绑定文件描述符和服务器的ip和端口号
	bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));serv_sock就是创建socket的返回文件描述符

	//进入监听状态，等待用户发起请求
	listen(serv_sock, 20);
	//接受客户端请求
	//定义客户端的套接字，这里返回一个新的套接字，后面通信时，就用这个clnt_sock进行通信
	struct sockaddr_in clnt_addr;
	socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
	int clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);

	//接收客户端数据，并相应
	char str[256];
	read(clnt_sock, str, sizeof(str));
	printf("client send: %s\n",str);
	strcat(str, "+ACK");
	write(clnt_sock, str, sizeof(str));

	//关闭套接字
	close(clnt_sock);
	close(serv_sock);

	return 0;
}

client_tcp.c:

/*client_tcp.c*/
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>

int main(){
	//创建套接字
	int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	//服务器的ip为本地，端口号1234
	struct sockaddr_in serv_addr;
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));//分配内存
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
	serv_addr.sin_port = htons(1234);
	
	//向服务器发送连接请求
	connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
	//发送并接收数据
	char buffer[40];
	printf("Please write:");
	scanf("%s", buffer);
	write(sock, buffer, sizeof(buffer));
	read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);
	printf("Serve send: %s\n", buffer);

	//断开连接
	close(sock);

	return 0;
}

打开两个终端，先运行serve_tcp.c,再运行client_tcp.c，我们在客户端输入 20201217 ，运行结果如下：

可见服务器对此做出了ack确认，并且客户端接收到了。

posted on 2022-11-08 21:06 ssssspm 阅读(68) 评论(0) 编辑收藏举报

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