第十三章—TCP/IP和网络编程

第十三章—TCP/IP和网络编程

摘要

TCP/IP和网络编程，分为两个部分。
第一部分

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;
TCP/P网络中的UDP和TCP协议、端口号和数据流;
服务器-客户机计算模型和套接字编程接口;
演示了网络编程。

第二部分

Web和CGI编程，解释了HTTP编程模型、Web页面和Web浏览器;
配置Linux HTTPD服务器来支持用户Web页面、PHP和CGI编程;
客户机和服务器端动态Web页面;
如何使用PHP和CGI创建服务器端动态Web页面

网络编程简介

TCP/IP网络和网络编程的基础知识，包括TCP/IP协议、UDP和TCP协议、服务器-客户机计算、HTTP和Web页面、动态Web页面和PHP和CGI编程

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，IPv4和IPv6.
TCP/IP的组织结构分为几个层次，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。
  例如:134121641，其中各个字节用点号分开。
  主机也可以用主机名来表示。
  如dnsleecwsuedu。

• 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)(RFC1341987RFC10351987)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主机只向接收主机发送数据包，但不能保证数据包会被发送到他们的目的地，也不能保证按照顺序发送

IP数据包格式

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。

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）

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，数据始终按照网络序排序，这是大端。

TCP/IP网络中的数据流

套接字编程

套接字地址

struct sockaddr_in {
  sa_family_t sin_family; // AF_INET for TCP/IP
  in_port_t sin_port;// 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 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。

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。

int套接字（int域，int类型，int协议）
将会创建一个用于发送/接收UDP数据报的套接字

*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）。

UDP套接字
UDP 套接字使用 sendto（）/recvfrom（）来发送/接收数据报
TCP/UDP套接字

ssize_t sendto(int soCkfd,const void *buf,size_t len,int flags,
const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd,void *buf,size_t len,int flags,
struct sockaddr *src_addr,socklen_t *addrlen);

实践

/**********TCPserver.c**********/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>

#define MAX  256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_PORT 1234
struct sockaddr_in server_addr;
int sock,r;

int client_init()
{
    printf("======= clinet init ==========\n"); 
    printf ("1 : create a TCP socket\n");
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if (sock<0)
    {
        printf("socket call failed\n"); exit(1);
    }
    printf("2 : fill server_addr with server's IP and P0RT#\n"); 
    server_addr.sin_family = AF_INET; 
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // localhost 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // server port number    
    printf("3 : connecting to server ....\n");
    r = connect (sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof (server_addr)); 
    if (r < 0)
    {
        printf("connect failed\n"); exit(3);
    }

    printf("4 : connected OK to\n");
    printf ("-------------------------------------------------\n");
    printf("Server hostname=%s PORT=%d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT); 
    printf ("-------------------------------------------------\n");
    printf("========= init done ==========\n");
}

int main()
{
    int n; 
    char line[MAX], ans[MAX];
    client_init();
    printf("***processing  loop *********\n");
    while (1)
    {
        printf("input a line :");
        bzero(line, MAX);
        fgets(line, MAX, stdin);
        line[strlen(line)-1] = 0;
        if (line[0]==0) 
            exit(0);
        n = write(sock,line,MAX);
        printf("client:wrote n=%d bytes;line=%s\n", n, line);
        n = read(sock,ans,MAX);
        printf("client:read n=%d bytes;line=%s\n", n, ans);
    }
}
    

/**********TCPclient.c**********/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>

#define MAX  256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 1234

struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
struct in_addr client_addr_tranform;
int  mysock, csock;
int  r, len, n;

int server_init ()
{
    printf("================== server init ======================\n"); // create a TCP socket by socket() syscall
    printf("1 : create a TCP STREAM socket\n");
    mysock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if (mysock < 0)
    {
        printf("socket call failed\n");
        exit(1);
    }
    printf("2 : fill server_addr with host IP and PORT# info\n");
    // initialize the server_addr structure
    server_addr.sin_family = AF_INET;	// for TCP/IP
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // This HOST IP 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);	// port number 1234
    printf("3 : bind socket to server address\n");
    r = bind(mysock,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr)); 
    if (r < 0)
    {
        printf("bind failed\n"); 
        exit(3);
    }
    printf(" hostname = %s port = %d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT); 
    printf("4 : server is listening ....\n");
    listen(mysock, 5); // queue length = 5
    printf("=================== init done =======================\n"); 
}

int main()
{
    char line[MAX];
    server_init();
    client_addr_tranform.s_addr = client_addr.sin_addr.s_addr;
    while(1)	// Try to accept a client request
    {
        printf("server： accepting new connection ....\n");
        // Try to accept a client connection as descriptor newsock 
        len = sizeof(client_addr);
        csock = accept(mysock, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
        if (csock < 0)
        {
            printf("server： accept error\n"); exit(1);
        }
        printf("server： accepted a client connection from\n");
        printf ("-----------------------------------------\n");
        printf("Clinet: IP=%s port=%d\n", inet_ntoa(client_addr_tranform), ntohs(client_addr.sin_port));
        printf ("-----------------------------------------\n");
        while(1) 
        {
            n = read(csock, line, MAX);
            if (n==0)
            {
                printf("server: client died, server loops\n"); close(csock);
                break; 
            }
            printf("server： read n=%d bytes; line=%s\n", n, line); // echo line to client
            n = write(csock, line, MAX);
            printf("server:wrote n=%d bytes； ECHO=%s\n", n, line); 
            printf("server:ready for next request\n");
        }
    }
}