网络编程（一）基本概念、TCP协议

文章目录

一、概念
- （一）网络发展阶段
- - 1. ARPAnet阶段
  - 2. TCP/IP两个协议阶段
  - 3. 网络体系结构和OSI开放系统互联模型
  - 4. TCP/IP协议簇体系结构
  - - （1）应用层：
    - （2）传输层：
    - （3）网络层：
    - （4）链路层：
- （二）TCP和UDP的异同
- （三）网络基础知识
- - 1. 字节序
  - （1）实现将四字节无符号整型转为大端字节序功能
  - - （2）字节序转换函数
  - 2. socket
  - - （1）概念
    - （2）类型
  - 3. IP地址
  - 4. 端口号
二、TCP网络编程
- （一）流程
- （二）相关函数
- - 1. socket
  - 2. bind
  - 3. listen
  - 4. accept
  - 5. connect
- （三）虚拟机的NAT模式和桥接模式

一、概念

协议：通信的双方都遵循的，如何发送数据以及接到数据后如何解析的一个规则。
网络体系结构：指网络的层次结构和每层所使用协议的集合

（一）网络发展阶段

1. ARPAnet阶段

早期的ARPAnet使用网络控制协议(Network Control Protocol，NCP)，
不能互联不同类型的计算机和不同类型的操作系统，没有纠错功能

2. TCP/IP两个协议阶段

TCP/IP协议分成了两个不同的协议：
用来检测网络传输中差错的传输控制协议TCP
专门负责对不同网络进行互联的互联网协议IP

3. 网络体系结构和OSI开放系统互联模型

应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层

4. TCP/IP协议簇体系结构

对OSI开放系统模型做了简化
在这里插入图片描述

（1）应用层：

HTTP(Hypertext Transfer Protocol) 超文本传输协议
万维网的数据通信的基础

FTP(File Transfer Protocol) 文件传输协议
是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用TCP传输

TFTP(Trivial File Transfer Protocol) 简单文件传输协议
是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用UDP传输

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 简单邮件传输协议
一种提供可靠且有效的电子邮件传输的协议

（2）传输层：

TCP(Transport Control Protocol) 传输控制协议
是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议

UDP(User Datagram Protocol) 用户数据报协议
是一种无连接、不可靠、快速传输的传输层通信协议

（3）网络层：

IP(Internetworking Protocol) 网际互连协议
是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议

ICMP(Internet Control Message Protocol) 互联网控制信息协议
用于在IP主机、路由器之间传递控制消息----ping命令使用的协议

IGMP(Internet Group Management Protocol) 互联网组管理
是一个组播协议，用于主机和组播路由器之间通信

（4）链路层：

ARP(Address Resolution Protocol) 地址解析协议
通过IP地址获取对方mac地址

RARP(Reverse Address Resolution Protocol) 逆向地址解析协议
通过mac地址获取ip地址

（二）TCP和UDP的异同

相同点：
同为传输层的协议

不同点：
TCP：有连接，可靠
UDP：无连接，不保证可靠

TCP（即传输控制协议）：
是一种面向连接的传输层协议，它能提供高可靠性通信
(即数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信)

UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议：
是不可靠的无连接的协议。在数据发送前，因为不需要进行连接，所以可以进行高效率的数据传输。

（三）网络基础知识

1. 字节序

不同类型CPU的主机中，内存存储多字节整数序列有两种方法，称为主机字节序(HBO)：
小端序（little-endian） - 低序字节存储在低地址
将低字节存储在起始地址，称为“Little-Endian”字节序，Intel、AMD等采用的是这种方式；
大端序（big-endian）- 高序字节存储在低地址
将高字节存储在起始地址，称为“Big-Endian”字节序，由ARM、Motorola等所采用

注：为了保证收发数据的一致性，就发明了网络字节序(大端序) 。发送方发送数据时，需要先把数据转成网络字节序再发送，接收方接到的数据默认都认为是网络字节序的数据，需要转成主机字节序再处理。

（1）实现将四字节无符号整型转为大端字节序功能

#include <stdio.h>
//判断本主机是大端还是小端
union _num
{
    int a;
    char b;
};

int if_big_1(void){
    union _num num;
    num.a = 0x12345678;
    return (0x12 == num.b)?1:0;
}
/***第二种判断主机是大端还是小端的方法***/
int if_big_2(void){
    int num = 0x12345678;
    char *p = (char *)&num;
    return (0x12 == *p)?1:0;
}

int my_htonl(int num){
    if(!if_big_1()){
        //如果是小端字节序，需要转成大端字节序
        char *p = (char *)&num;
        char *q = p+3;
        char temp=0;
        //第0位和第3位交换
        temp = *p;
        *p = *q;
        *q = temp;
        //第1位和第2位交换
        p++;
        q--;
        temp = *p;
        *p = *q;
        *q = temp;
    }
    return num;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int num = 0x12345678;
    if(!if_big_2()){
        printf("本机为小端存储，%#x-->%#x\n",num, my_htonl(num));
    }else{
        printf("本机为大端存储，%#x-->%#x\n",num, my_htonl(num));
    }
    return 0;
}

（2）字节序转换函数

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);  //主机转网络4字节
uint16_t htons(uint16_t hostshort); //主机转网络2字节
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   //网络转主机4字节
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  //网络转主机2字节
// h  host 主机  to  转换  n  network 网络  l  四字节  s 二字节

注：
1.如果明确知道收发双方的主机字节序一致，可以不考虑字节序问题
2.多字节的整形序列需要考虑字节序的问题 (字符串可以不考虑)

2. socket

套接字通信是进程间（而非主机之间）通信的方式的一种。

（1）概念

socket是一个函数，会返回一个文件描述符，用户可以通过传参的方式指定收发数据时需要封装和解析什么协议。

socket并不仅限于linux，也并不限于TCP/IP协议族体系结构

（2）类型

流式套接字(SOCK_STREAM)----给TCP用的
提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差
错、无重复的发送且按发送顺序接收。内设置流量控制，
避免数据流淹没慢的接收方。数据被看作是字节流，
无长度限制。

数据报套接字(SOCK_DGRAM)----给UDP用的
提供无连接服务。数据包以独立数据包的形式被发送，
不提供无差错保证，数据可能丢失或重复，顺序发送，
可能乱序接收。

原始套接字(SOCK_RAW)
可以对较低层次协议如IP、ICMP直接访问。

3. IP地址

局域网内部使用MAC地址通信，如果使用互联网，必须用IP地址

IP地址的表示形式 “192.168.80.10” 这种叫做点分十进制，是一个字符串
计算机中存储IP地址是用的无符号4字节整型。unsigned int

#include <my_head.h>

int is_big(void){
    int num = 0x12345678;
    char *p = (char *)&num;
    return (0x12 == *p)?1:0;
}

int incept_char(char *p,char *str){
    int i=0;
    while('.' != *p&& '\0' != *p){
        str[i]=*(p++);
        i++;
    }
    return i;//返回.的坐标位置
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(2 != argc){
        printf("Usage:%s IPv4\n",argv[0]);
        exit(-1);
    }
    //截取字符串
    char str1[4]={0};
    char str2[4]={0};
    char str3[4]={0};
    char str4[4]={0};
    
    char p[20]={0};
    strcpy(p,argv[1]);

    int i=0,j=0;
    j = incept_char(p,str1);
    i=i+j+1;
    j = incept_char(p+i,str2);
    i=i+j+1;
    j = incept_char(p+i,str3);
    i=i+j+1;
    incept_char(p+i,str4);
    //将截取的字符串转成整型
    int num[4]={0};
    num[0] = atoi(str1);
    num[1] = atoi(str2);
    num[2] = atoi(str3);
    num[3] = atoi(str4);

    //组装成四字节无符号整型数，且为大端    
    unsigned int my_ip=0;
    printf("%ld\n",sizeof(my_ip));
    /***注意此处必须是unsigned char类型的指针，否则会打印出负数***/
    unsigned char *q = (unsigned char *)&my_ip;
    if(!is_big()){
        for(int m=0;m<4;m++){
            *(q+m)= *(char*)(num+m);
        }
    }else{//小端：地址低位存储数据低位
        for(int m=0;m<4;m++){
            *(q+m)= *(char*)(num+3-m);
        }
    }
    
    q=(unsigned char *)&my_ip;
    printf("%s --> %d.%d.%d.%d\n", argv[1], q[0], q[1],q[2], q[3]);
    return 0;
}

//将点分十进制的字符串 转换成  网络字节序的 无符号四字节整型
in_addr_t inet_addr(const char *cp);

//将网络字节序的无符号四字节整型的ip地址 转换成 点分十进制的字符串
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

4. 端口号

端口号是用来人为的标识某一个进程

端口号范围[0-65535]，usigned short
实际开发时，端口由用户指定

linux系统中 /etc/services 中保存的就是当前系统中已经被占用的端口号

服务	端口号
ftp	21
ssh	22
tftp	69
http	80 8080
mysql	3306

二、TCP网络编程

网络编程模型：
C/S模型：客户端服务器模型
优点：
客户端可以缓存一些数据，使用时直接在本地读取，无需每次重新下载
由于客户端和服务器都是自己开发的，可以自定义协议
缺点：代码开发量大

B/S模型：浏览器服务器模型

（一）流程

在这里插入图片描述
服务器流程：
创建套接字–socket()
填充服务器的网络信息结构体
将套接字与服务器网络信息结构体绑定–bind()
将套接字设置成被动监听状态–listen()
阻塞客户端连接–accept()
收发数据–write()/read()
关闭套接字–close()

客户端流程：
创建套接字–socket()
填充服务器的网络信息结构体
与服务器建立连接–connect()
收发数据–write()/read()
关闭套接字–close()

（二）相关函数

1. socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
功能：
    创建套接字
参数：
    domain：通信域
        AF_UNIX  AF_LOCAL  本地通信使用
        AF_INET            IPV4使用
        AF_INET6          IPV6使用
        AF_PACKET          原始套接字使用
    type：套接字类型
        SOCK_STREAM      TCP使用
        SOCK_DGRAM       UDP使用
    protocol：附加协议 传0 表示没有附加协议
返回值：
    成功  套接字(文件描述符)
    失败  -1  重置错误码

2. bind

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
功能：
    将套接字与服务器网络信息结构体绑定
参数：
    sockfd：套接字
    addr：网络信息结构体的首地址
        struct sockaddr {
            sa_family_t sa_family;
            char        sa_data[14];
        }
        //上面的结构体只是用来强转 防止编译警告的 
        //实际使用的是下面的结构体
        struct sockaddr_in {
            sa_family_t    sin_family; /* AF_INET */
            in_port_t      sin_port;   /* 网络字节序的端口号 */
            struct in_addr sin_addr;   /* 网络地址 */
        };
        struct in_addr {
            uint32_t       s_addr;     /* 网络字节序无符号4字节整型的IP地址 */
        };
    addrlen：addr的长度
返回值：
    成功  0
    失败  -1  重置错误码

3. listen

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
功能：
    将套接字设置成被动监听状态
参数：
    sockfd：套接字
    backlog：指定半连接队列的最大长度
            一般传 5  10  等都可以 不是 0 就行
            //因为我们实际开发时 一般都是并发服务器 基本能维持半连接队列中没有元素
返回值：
    成功  0
    失败  -1  重置错误码

4. accept

阻塞等待客户端连接

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
功能：
    提取半连接队列中的第一个链接，会返回一个新的套接字专门用于和该客户端通信
    如果半连接队列中没有连接请求 accept函数会阻塞
参数：
    sockfd：套接字 必须是已经绑定了本地地址 且置成被动监听状态的
    addr：用于保存客户端的网络信息结构体的缓冲区的首地址 不关心可以传NULL
    addrlen：addr的大小，不关心也可以传NULL
返回值：
    成功  新的套接字用于收发数据
    失败  -1  重置错误码

5. connect

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
功能：
    与服务器建立连接
参数：
    sockfd：套接字
    addr：要连接的服务器的网络信息结构体的首地址
    addrlen：addr的长度
返回值：
    成功  0
    失败  -1  重置错误码