10、網絡基礎和SOCKET

10、網絡基礎和SOCKET

1、TCP/IP協議概述

• TCP/IP是互聯網的基礎
• OSI參考模型與TCP/IP參考模型對應關係：

• TCP/IP 實際上是一個一起工作的通信家族，爲網際數據通信提供通路。爲討論方便可將
• TCP/IP 協議組大體上分爲三部分：
  • 1．Internet 協議（IP）
  • 2．傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報文協議（UDP）
  • 3．處於TCP 和UDP 之上的一組協議專門開發的應用程序。它們包括：TELNET，文件傳送協議（FTP），域名服務（DNS）和簡單的郵件傳送程序（SMTP）等許多協議。

2、傳輸層協議 - TCP（傳輸控制協議）

• 傳輸層協議。包括傳輸控制協議TCP和用戶數據報文協議UDP。
• 傳輸控制協議（TCP）。由於IP 提供非連接型傳遞服務，因此TCP應爲應用程序存取網絡創造了條件，使用可靠的面向連接的傳輸層服務。該協議爲建立網際上用戶進程之間的對話負責。此外，還確保兩個以上進程之間的可靠通信。它所提供的功能如下：
  • 1．監聽輸入對話建立請求。
  • 2．請求另一網絡站點對話。
  • 3．可靠的發送和接收數據。
  • 4．適度的關閉對話。

三次握手

• 1、初始化主機通過一個同步標誌置位的數據段發出會話請求。
• 2、接收主機通過發回具有以下項目的數據段表示回覆：同步標誌置位、即將發送的數據段的起始字節的順序號、應答並帶有將收到的下一個數據段的字節順序號。
• 3、請求主機再回送一個數據段，並帶有確認順序號和確認號。

3、傳輸層協議 - UDP（用戶數據報文協議）

• 用戶數據報文協議（UDP）。UDP 提供不可靠的非連接型傳輸層服務，它允許在源和目的地站點之間傳送數據，而不必在傳送數據之前建立對話。此外，該協議還不使用TCP使用的端對端差錯校驗。當使用UDP時，傳輸層功能全都發揮，而開銷卻比較低。它主要用於那些不要求TCP協議的非連接型的應用程序。例如，名字服務、網絡管理、視頻點播和網絡會議等。

4、應用層協議

• Telnet
• 文件傳送協議（FTP 和TFTP）
• 簡單的郵件傳送協議（SMTP）
• 域名服務（DNS）等協議。

5、網絡編程基礎

socket概述

• 爲了簡化開發通信程序的工作，由Berkely學校開發了一套網絡通信程序的API函數標準
• socket標準被擴展成window socket和unix socket
• linux中的網絡編程通過socket接口實現。Socket既是一種特殊的IO，它也是一種文件描述符。一個完整的Socket 都有一個相關描述{協議，本地地址，本地端口，遠程地址，遠程端口}；每一個Socket 有一個本地的唯一Socket 號，由操作系統分配。

SOCKET分類

• 流式套接字（SOCK_STREAM）
  • 流式的套接字可以提供可靠的、面向連接的通訊流。它使用了TCP協議。TCP 保證了數據傳輸的正確性和順序性。
• 數據報套接字（SOCK_DGRAM）
  • 數據報套接字定義了一種無連接的服務，數據通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，並且不保證可靠，無差錯。使用數據報協議UDP協議。
• 原始套接字
  • 原始套接字允許對低層協議如IP或ICMP直接訪問，主要用於新的網絡協議實現的測試等。

套接字地址結構

struct sockaddr{
	unsigned short sa_family; /* address族, AF_xxx */
	char sa_data[14]; 	  /* 14 bytes的協議地址 */
};
//sa_family 一般來說， IPV4使用“AF_INET”。
//sa_data 包含了一些遠程電腦的地址、端口和套接字的數目，它裏面的數據是雜溶在一起的。

sockaddr_in地址結構

struct sockaddr_in {
	short int sin_family; /* Internet地址族 */
	unsigned short int sin_port; /* 端口號 */
	struct in_addr sin_addr; /* Internet地址 */
	unsigned char sin_zero[8]; /* 添0（和struct sockaddr一樣大小）*/
};

字節序列轉換

• 因爲每一個機器內部對變量的字節存儲順序不同（有的系統是高位在前，底位在後，而有的系統是底位在前，高位在後 )，而網絡傳輸的數據大家是一定要統一順序的。所以對與內部字節表示順序和網絡字節順序不同的機器，就一定要對數據進行轉換。

字節轉換函數

• htons()——“Host to Network Short”

  主機字節順序轉換爲網絡字節順序（對無符號短型進行操作2bytes）

• htonl()——“Host to Network Long”

  主機字節順序轉換爲網絡字節順序（對無符號長型進行操作4bytes）

• ntohs()——“Network to Host Short”

  網絡字節順序轉換爲主機字節順序（對無符號短型進行操作2bytes）

• ntohl()——“Network to Host Long ”

  網絡字節順序轉換爲主機字節順序（對無符號長型進行操作4bytes）

地址格式轉換

• linux提供將點分格式的地址轉於長整型數之間的轉換函數。
  • inet_addr()能夠把一個用數字和點表示IP 地址的字符串轉換成一個無符號長整型。
  • inet_ntoa()
  • inet_aton()

基本套接字調用

socket()		bind()		    connect()	 
listen()		accept()		send()	
recv()		    sendto() 		shutdown()
recvfrom()		close()		 	getsockopt()      
setsockopt()		            getpeername()
getsockname()					gethostbyname()
gethostbyaddr()					getprotobyname()
fcntl()

基於流套接字的編程流程

6、socket示例

//server.cpp

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

#define PORT 0x8888
int main(int argc,char *argv[])
{
    int sfp,nfp;
    static int number=0;
    struct sockaddr_in s_add,c_add;
    char buffer[1024]={0};
    printf("Hello,welcome to my server!\n");
    sfp=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(-1==sfp){
        printf("socket fail!\n");
        return -1;
    }
    printf("socket ok!\n");

    bzero(&s_add,sizeof(struct sockaddr_in));
    s_add.sin_family=AF_INET;
    s_add.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    s_add.sin_port=htons(PORT);
    if(-1==bind(sfp,(struct sockaddr *)(&s_add),sizeof(struct sockaddr))){
        printf("bind fail!\n");
        return -1;
    }
    printf("bind ok!\n");

    if(-1==listen(sfp,5)){
        printf("listen fail!\n");
        return -1;
    }
    printf("listen ok\n");
    socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);

    while(1){
        nfp=accept(sfp,(struct sockaddr *)(&c_add),&addrlen);
        if(-1==nfp){
            printf("accept fail!\n");
            return -1;
        }
        printf("accept ok!\nServer start get connect from %#x :%#x\n",ntohl(c_add.sin_addr.s_addr),ntohs(c_add.sin_port));
        number++;
        int ret=fork();    
        if(ret>0){
            break;
        }
    }
    while(1){
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));
        int len=read(nfp,buffer,sizeof(buffer));
        if(len>0){
            printf("client_%d:%s\n",number,buffer);
            write(nfp,buffer,sizeof(buffer));
        }
    }
    close(sfp);
    return 0;
}

//client.cpp

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

#define PORT 0x8888
int main(int argc,char *argv[])
{
    int cfd;
    int recbytes;
    char buffer[1024]={0};
    struct sockaddr_in s_add;
    printf("Hello,welcome to client !\n");

    cfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(-1==cfd){
        printf("socket fail!\n");
        return -1;
    }
    printf("socket ok!\n");

    bzero(&s_add,sizeof(struct sockaddr_in));
    s_add.sin_family=AF_INET;
    s_add.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
    s_add.sin_port=htons(PORT);
    printf("s_addr=%#x,port : %#x\n",s_add.sin_addr.s_addr,s_add.sin_port);
    if(-1==connect(cfd,(struct sockaddr *)(&s_add),sizeof(struct sockaddr))){
        printf("connect fail!\n");
        return -1;
    }
    printf("connect to server success!\n");

    while(1){
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));
        printf("please input:");
        fgets(buffer,sizeof(buffer),stdin);
        printf("\n");
        write(cfd,buffer,sizeof(buffer));
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));
        if(-1==(recbytes=read(cfd,buffer,1024))){
            printf("read data fail!\n");
            return -1;
        }
        if(recbytes>0){
            printf("server:%s\n",buffer);
            //buffer[recbytes]='\0';
            //printf("%s\n",buffer);
        }
    }
    getchar();
    close(cfd);
    return 0;
}