一、OSI模型七层结构
OSI(Open Systems Interconnection)模型,即开放系统互连参考模型,是一个概念性框架,用于促进全球通信。它定义了网络通信的七层结构,每一层都执行特定的功能,并且每一层都使用下一层提供的服务,同时向它的上一层提供服务。这七层从下到上依次是:
- 物理层(Physical Layer)
- 功能:定义物理设备之间如何传输原始比特流(0和1)。它定义了物理连接的特性,如电气规范、机械特性、功能和过程特性等。例如,以太网和光纤都是物理层的实现。
- 例子:双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等物理传输介质;传输速率如100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s等。
- 数据链路层(Data Link Layer)
- 功能:数据链路层在物理层之上,负责将原始的比特流封装成帧(Frame),并提供错误检测和修正功能,确保数据的可靠传输。这一层还负责在物理网络中识别设备地址(如MAC地址)。
- 例子:以太网(Ethernet)、帧中继(Frame Relay)、PPP(点对点协议)等;交换机工作在数据链路层。
- 网络层(Network Layer)
- 功能:负责将数据包(Packet)从源端传输到目的端,可能跨越多个网络。
- 例子:IP(Internet Protocol)协议;路由选择、流量控制、错误处理以及网络互联等功能;NAT(网络地址转换)也是网络层的一个功能。
- 传输层(Transport Layer)
- 功能:为端到端的通信提供可靠的传输服务,确保数据包的顺序传输和完整性。
- 例子:TCP(传输控制协议,提供面向连接的、可靠的传输服务)和UDP(用户数据报协议,提供无连接的、不可靠的传输服务,低延迟)。
- 会话层(Session Layer)
- 功能:在两个通信的应用进程之间建立、管理和终止会话,管理通信双方之间的对话控制。
- 例子:会话管理,如建立检查点、同步等;虽然具体协议不如低层那么知名,但它负责在网络应用之间建立和维护连接。
- 表示层(Presentation Layer)
- 功能:对数据进行转换、加密和压缩,以便在应用层之间传输。
- 例子:数据压缩(如gzip)、加密/解密(如SSL/TLS中的加密)、数据格式转换(如ASCII与EBCDIC之间的转换)。
- 应用层(Application Layer)
- 功能:为用户的应用程序(如Web浏览器、电子邮件客户端等)提供网络服务。
- 例子:HTTP(用于Web通信)、FTP(文件传输协议)、SMTP(简单邮件传输协议)、TFTP(简单文件传输协议)、DNS(域名系统)等。
- NAT(网络地址转换) 是网络层的一个功能,用于解决IPv4地址不足的问题,通过在网络边界将私有IP地址转换为公网IP地址。
OSI模型为网络通信提供了一个标准化的框架,尽管在实际应用中,TCP/IP协议栈(包含四层:网络接口层、网络层、传输层和应用层)更为广泛地被采用。然而,OSI模型仍然是理解网络通信原理的重要基础。
二、TCP/IP模型
网际互联模型 ==》分为4层:
实用模型 ===》工业标准
也称tcp/ip协议栈
1. 应用层(Application Layer)
- 职责:提供网络服务给最终用户,支持各种应用程序,如电子邮件、网页浏览、文件传输等。
- 协议:HTTP(用于网页浏览)、FTP(文件传输协议)、SMTP(简单邮件传输协议)、DNS(域名系统)等。
- 特点:应用层是TCP/IP协议栈中的最高层,为应用程序提供了接口,允许用户直接访问和使用网络服务。
2. 传输层(Transport Layer)
- 职责:提供端到端的数据传输服务,确保数据的可靠性、顺序性和流量控制。
- 协议:TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。
- 特点:TCP协议提供可靠的、面向连接的数据传输服务,通过“三次握手”建立连接;UDP协议则提供无连接的数据传输服务,不保证数据的可靠性,但速度较快。
3. 网络层(Network Layer)
- 职责:处理来自传输层的分组,将分组封装成数据包(IP数据包),并为数据包进行路径选择,最终将数据包从源主机发送到目的主机。
- 协议:IP(网际协议)、ICMP(互联网控制消息协议)、IGMP(互联网组管理协议)、ARP(地址解析协议)等。
- 特点:网络层负责数据包的路由和转发,确保数据包能够跨越不同的网络区域,从源主机准确地到达目的主机。
4. 接口层(Interface Layer,也称为网络接口层或数据链路层)
- 职责:负责将数据包从物理介质发送到网络上的其他设备,处理物理地址(MAC地址)和数据帧的格式。
- 协议:以太网、WiFi、PPP(点对点协议)等。
- 特点:接口层是TCP/IP模型中最底层的一层,它直接与物理网络相连,负责数据的实际传输过程。它使用各种物理网络协议来确保数据帧在物理介质上的可靠传输。
TCP/IP协议与七层ISO模型的对应关系,大致如下图所示:
图:TCP/IP协议与七层ISO模型的对应关系
DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol,动态主机配置协议)是一种网络协议,用于在局域网(LAN)中自动配置设备的网络参数。DHCP 允许网络中的设备(如计算机、打印机、智能手机等)自动从DHCP服务器获取其IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器地址等网络配置信息,而无需手动配置这些信息。这样做的好处包括简化网络管理、减少配置错误、支持移动设备在网络中的无缝移动等。
三、TCP/IP协议族
一、应用层 (Application Layer)
- HTTP: 超文本传输协议,用于Web浏览器和服务器之间的通信。
- TFTP: 简单文件传输协议,一种简单的文件传输协议,主要用于在局域网中传输文件。
- FTP: 文件传输协议,用于在网络上进行文件的双向传输。
- SNMP: 简单网络管理协议,用于网络管理,如设备发现、性能监控等。
- DNS: 域名系统,用于将域名(如www.taobao.com)解析为IP地址(如192.168.0.19,但通常不会是私有地址,而是公网地址)。
二、传输层 (Transport Layer)
- TCP: 传输控制协议,一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
- UDP: 用户数据报协议,一种无连接的、不可靠的传输层协议。
- 56k猫: 这不是一个传输层协议,而是指早期的调制解调器(Modem)的速率,用于通过电话线进行低速的数据传输。
三、网络层 (Network Layer)
- IP: 互联网协议,负责数据包的路由和传输。
- ICMP: 互联网控制消息协议,用于发送控制消息,如网络不通时发送的错误消息(ping命令就使用了ICMP协议)。
- RIP: 路由信息协议,一种基于距离向量的内部网关协议(IGP),用于在小型网络中交换路由信息。
- OSPF: 开放式最短路径优先,一种基于链路状态的内部网关协议,用于在大型和复杂网络中计算最佳路径。
- IGMP: 互联网组管理协议,用于IP多播(Multicast)的管理。
四、物理层和数据链路层 (Physical Layer and Data Link Layer)
- ARP: 地址解析协议,用于将网络层地址(如IP地址)解析为链路层地址(如MAC地址)。
- RARP: 逆地址解析协议,用于无盘工作站等设备的网络启动,现已较少使用。
- 注意:您提到的“物理层:ARP RARP ... ip--->mac”实际上是不准确的。ARP和RARP工作在数据链路层,而不是物理层。物理层关注的是实际的信号传输,如电信号或光信号。
ip4地址的分类
IP地址的分类主要基于其网络ID的不同,可以分为A类、B类、C类、D类和E类五大类。在点分十进制的表示方法中,IP地址是一个32位的二进制数,通常被分割为4个8位二进制数(也就是4个字节),每个字节的十进制取值范围是0-255,各字节之间用点(.)分隔。以下是各类IP地址的详细分类及特点:
1. A类IP地址
- 网络地址范围:1.0.0.0 - 126.255.255.255(二进制表示为:00000001 00000000 00000000 00000000 - 01111110 11111111 11111111 11111111)
- 特点:
- 网络号占1个字节,即前8位,最高位必须是“0”。
- 第一个字节的范围是1-126(注意,0和127有特殊用途,不用于指派)。
- 可用的A类网络有126个(2^7-2,因为网络号不能是全0或全1)。
- 每个网络理论上可以支持的主机数为2^24-2(主机号不能是全0或全1)。
- 适用于具有大量主机的大型网络。
2. B类IP地址
- 网络地址范围:128.0.0.0 - 191.255.255.255(二进制表示为:10000000 00000000 00000000 00000000 - 10111111 11111111 11111111 11111111)
- 特点:
- 网络号占2个字节,即前16位,最高两位必须是“10”。
- 第一个字节的范围是128-191。
- 可用的B类网络有16382个(2^14-2)。
- 每个网络理论上可以支持的主机数为2^16-2。
- 适用于中等规模的网络。
3. C类IP地址
- 网络地址范围:192.0.0.0 - 223.255.255.255(二进制表示为:11000000 00000000 00000000 00000000 - 11011111 11111111 11111111 11111111)
- 特点:
- 网络号占3个字节,即前24位,最高三位必须是“110”。
- 第一个字节的范围是192-223。
- C类网络数量较多,可达209万余个。
- 每个网络理论上可以支持的主机数为254(2^8-2)。
- 适用于小型网络,如局域网和校园网。
4. D类IP地址
- 网络地址范围:224.0.0.0 - 239.255.255.255
- 特点:
- 最高四位是“1110”,用于多播(Multicast)地址,不指向特定的网络。
- 这类地址被用在多点广播中,用来一次寻址一组计算机。
5. E类IP地址
- 网络地址范围:240.0.0.0 - 255.255.255.255
- 特点:
- 最高四位是“1111”,保留为将来使用。
- 主要用于Internet试验和开发。
*四、网络编程之UDP
UDP中文称为:用户数据报
1、UDP的特点
- 无连接:UDP在发送数据之前不需要建立连接,发送方和接收方之间不存在持久的连接状态。(理解:每次链接的路径不一样)
- 不可靠:UDP不保证数据包的顺序、完整性或正确性。数据包可能会丢失、重复或乱序到达。
- 面向数据报:UDP以数据报的形式发送数据,每个数据报都被视为一个独立的单元,且UDP本身不提供数据重组的功能。
- 开销小:由于UDP没有复杂的连接建立和错误控制机制,因此其头部开销较小,数据传输效率较高。
1、特性: 无链接 不可靠 大数据
2、框架: C/S模式
server:socket() ===>bind()===>recvfrom()===>close()
client:socket() ===>bind()===>sendto() ===>close()
编写流程
2、socket()函数
socket()
函数是 Unix/Linux 系统中用于创建新的套接字(socket)的一个系统调用。套接字是网络通信中的一个端点,它允许两个或多个进程(可能位于不同的计算机上)通过网络进行通信。socket()
函数用于初始化一个套接字,并返回一个与该套接字关联的文件描述符(file descriptor),该描述符随后可用于进一步的套接字操作,如绑定地址、监听连接、接受连接、发送和接收数据等。
#include <sys/types.h> // 对于某些系统可能需要
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
- domain:指定协议族。常用的有
AF_INET
(IPv4 地址)和AF_INET6
(IPv6 地址)。AF
代表“Address Family”。 - type:指定套接字类型。对于 UDP,UDP的类型是
SOCK_DGRAM
,表示数据报套接字。SOCK_STREAM
是用于 TCP 的套接字类型。 - protocol:通常设置为 0,让系统自动选择该域(domain)和类型(type)下的默认协议。但在某些特殊情况下,可以指定特定的协议。
返回值:如果成功,socket()
返回一个非负的文件描述符,该文件描述符可以用于后续的套接字操作。如果失败,返回 -1,并设置 errno 以指示错误类型。
3、bind()函数
bind()
函数是在网络编程中非常关键的一个函数,它用于将套接字(socket)与特定的IP地址和端口号绑定。
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockfd
是由socket()
函数返回的套接字文件描述符。addr
是一个指向sockaddr
结构的指针,该结构包含了IP地址和端口号等信息。根据IPv4或IPv6的不同,这个结构可能是sockaddr_in
或sockaddr_in6
类型。addrlen
是addr
参数所指向的结构的长度,这个长度通常是sizeof(struct sockaddr_in)
或sizeof(struct sockaddr_in6)
。
如果 bind()
函数调用成功,它返回0;如果失败,则返回-1,并设置全局变量 errno
以指示错误的原因。
bind() 客户端是可选的,服务器端是必选的。
4、sendto()函数
sendto()
函数是在网络编程中用于发送数据到指定的网络地址(IP地址和端口号)的函数。
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
功能:用于UDP协议中向对方发送数据。
sockfd
是要发送数据的套接字的文件描述符。buf
指向包含要发送数据的缓冲区的指针。len
是要发送的数据的字节数。flags
可以通过它来指定额外的选项,但对于大多数应用来说,通常设置为0。dest_addr
是一个指向sockaddr
结构的指针,该结构包含了目标地址的信息(IP地址和端口号)。根据IPv4或IPv6的不同,这个结构可能是sockaddr_in
或sockaddr_in6
类型。addrlen
是dest_addr
参数所指向的结构的长度,通常是sizeof(struct sockaddr_in)
或sizeof(struct sockaddr_in6)
。
如果 sendto()
函数调用成功,它返回发送的字节数。如果失败,则返回-1,并设置全局变量 errno
以指示错误的原因。
对于UDP套接字来说,sendto()
是发送数据包的常用方式,因为它允许程序直接指定数据的目的地。在TCP套接字中,虽然 sendto()
可以被调用,但它通常被 send()
或 write()
替代,因为TCP是一个面向连接的协议,其套接字已经与一个特定的远程地址和端口建立了连接。
需要注意的是,由于UDP是无连接的,因此每个 sendto()
调用都独立地发送一个数据包,并且接收方可能会以不同的顺序或根本不接收这些数据包(例如,由于网络拥塞或错误)。
5、recvfrom()函数
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
功能:用于UDP协议中获取对方发送的数据。
sockfd
是要接收数据的套接字的文件描述符。buf
指向一个缓冲区,该缓冲区用于存储接收到的数据。len
是缓冲区buf
的大小,即最多可以接收的字节数。flags
可以通过它来指定额外的选项,但对于大多数应用来说,通常设置为0。src_addr
是一个指向sockaddr
结构的指针,该结构用于存储发送数据包的源地址信息(如果调用者关心这一点的话)。这个参数可以设置为NULL,如果不需要源地址信息。addrlen
是一个指向socklen_t变量的指针,该变量在调用前应该包含src_addr
缓冲区的大小(如果src_addr
不是NULL的话)。在调用返回时,它将包含实际存储在src_addr
中的地址的实际大小。
如果 recvfrom()
函数调用成功,它返回接收到的字节数。如果连接被对方正常关闭,则返回0。如果发生错误,则返回-1,并设置全局变量 errno
以指示错误的原因。
对于UDP套接字来说,recvfrom()
是接收数据包的常用方式,因为它不仅接收数据,还提供了数据包的源地址信息。这使得UDP程序能够区分来自不同源的数据包,并据此作出响应。
需要注意的是,由于UDP是无连接的,因此 recvfrom()
可能会以不同的顺序接收数据包,或者根本不会接收某些数据包(例如,由于网络拥塞或错误)。
练习:
服务器代码:接收客户端的数据,并打印,再把接收到的数据发送给客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
typedef struct sockaddr* (SA);
int main(int argc, const char *argv[])
{
int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(-1==sockfd)
{
perror("socket");
return 1;
}
struct sockaddr_in server,client;
bzero(&server,sizeof(server));
bzero(&client,sizeof(client));
server.sin_family=AF_INET;
server.sin_port=htons(50000);
server.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.0.117");
int ret=bind(sockfd,(SA)&server,sizeof(server));
if(-1==ret)
{
perror("bind");
exit(1);
}
while(1)
{
char buf[1024]={0};
socklen_t len=sizeof(client);
recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(SA)&client,&len);
printf("%s\n",buf);
time_t tm;
time(&tm);
sprintf(buf,"%s %s",buf,ctime(&tm));
sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(SA)&client,sizeof(client));
}
return 0;
}
客户端:向服务器发送数据,再接收服务器发送过来的数据并打印出来
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
typedef struct sockaddr * (SA);
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd =socket(AF_INET,SOCK_DGRAM ,0);
if(-1 == sockfd)
{
perror("socket");
return 1;
}
//set ip port man 7 ip
struct sockaddr_in server;
bzero(&server,sizeof(server));
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(50000);// >50000 host to net short
server.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.203.128");
while(1)
{
char buf[1024]="hello,this udp test";
sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(SA)&server,sizeof(server));
bzero(buf,sizeof(buf));
recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,NULL,NULL);
printf("server:%s",buf);
fflush(stdout);
sleep(1);
}
return 0;
}
基于UDP的聊天室程序
将以上知识点融合,考虑如何实现一个基于UDP的聊天室程序。
要求如下:
1、要有注册过程,每个客户端必须在服务器端有注册信息。
2、任意客户端发送的消息必须由服务器转发给所有在线客户端。
3、任意客户端下线必须通知其他在线用户主机。
服务器:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
typedef struct sockaddr * (SA);
typedef enum {LOGIN,CHAT,LOGOUT}TYPE;
#define MAX 10
typedef struct
{
TYPE type;
char buf[128];
char client[50];
}MSG;
typedef struct
{
char name[50];
struct sockaddr_in cli;
int flag;
}LIST;
LIST list[MAX]={0};
int do_login(int sockfd, MSG* msg,struct sockaddr_in* cli)
{
int i = 0 ;// 把刚刚登陆的客户端信息存放在服务器
for(i = 0 ;i<MAX;i++)
{
if(0 == list[i].flag)
{
list[i].flag = 1;
strcpy(list[i].name ,msg->client);
memcpy(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in));
break;
}
}
strcpy(msg->buf,"上线了");
//转发新客户端上线信息,给其他客户段
for(i = 0;i<MAX;i++)
{
if(1 ==list[i].flag && 0!=memcmp(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in)))
{
sendto(sockfd,msg,sizeof(MSG),0,(SA)&list[i].cli,sizeof(list[i].cli));
}
}
return 0;
}
int do_chat(int sockfd, MSG* msg,struct sockaddr_in*cli)
{
int i =0;
for(i = 0;i<MAX;i++)
{
if(1 ==list[i].flag && 0!=memcmp(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in)))
{
sendto(sockfd,msg,sizeof(MSG),0,(SA)&list[i].cli,sizeof(list[i].cli));
}
}
return 0;
}
int do_logout(int sockfd,MSG*msg,struct sockaddr_in* cli)
{
strcpy(msg->buf,"要走了");
int i = 0 ;
for(i=0;i<MAX;i++)
{
if(1 == list[i].flag && 0 == memcmp(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in)))
{
list[i].flag = 0 ;
}
else if(1 == list[i].flag && 0 != memcmp(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in)))
{
sendto(sockfd,msg,sizeof(MSG),0,(SA)&list[i].cli,sizeof(list[i].cli));
}
}
return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd =socket(AF_INET,SOCK_DGRAM ,0);
if(-1 == sockfd)
{
perror("socket");
return 1;
}
//set ip port man 7 ip
struct sockaddr_in server,client;
bzero(&server,sizeof(server));
bzero(&client,sizeof(client));
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(50000);// >50000 host to net short
server.sin_addr.s_addr =INADDR_ANY;
int ret = bind(sockfd,(SA) &server,sizeof(server));
if(-1 == ret)
{
perror("bind");
exit(1);
}
while(1)
{
MSG msg;
bzero(&msg,sizeof(msg));
socklen_t len = sizeof(client);
recvfrom(sockfd,&msg,sizeof(msg),0,(SA)&client,&len);
switch(msg.type)
{
case LOGIN:
do_login(sockfd,&msg,&client);
break;
case LOGOUT:
do_logout(sockfd,&msg,&client);
break;
case CHAT:
do_chat(sockfd,&msg,&client);
break;
default:
do_logout(sockfd,&msg,&client);
}
}
return 0;
}
发送端:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
typedef struct sockaddr * (SA);
typedef enum {LOGIN,CHAT,LOGOUT}TYPE;
typedef struct
{
TYPE type;
char buf[128];
char client[50];
}MSG;
void* th1(void* arg)
{
int sockfd = *(int*)arg;
MSG msg;
while(1)
{
bzero(&msg,sizeof(msg));
recvfrom(sockfd,&msg,sizeof(msg),0,NULL,NULL);
printf("%s:%s\n",msg.client,msg.buf);
}
}
typedef struct
{
char name[50];
int sockfd;
struct sockaddr_in ser;
}TH_ARG;
void * th2(void* arg)
{
TH_ARG* tmp = (TH_ARG* )arg;
int sockfd=tmp->sockfd;
MSG msg;
int run_flag = 1;
while(run_flag)
{
bzero(&msg,sizeof(msg));
printf("to all:");
fgets(msg.buf,sizeof(msg.buf),stdin);
msg.buf[strlen(msg.buf)-1]='\0';
if(0 == strcmp("#quit",msg.buf))
{
msg.type =LOGOUT;
run_flag = 0;
}else
{
msg.type = CHAT;
}
strcpy(msg.client,tmp->name);
sendto(sockfd,&msg,sizeof(msg),0,(SA)&tmp->ser,sizeof(tmp->ser));
}
exit(1);
return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd =socket(AF_INET,SOCK_DGRAM ,0);
if(-1 == sockfd)
{
perror("socket");
return 1;
}
//set ip port man 7 ip
struct sockaddr_in server;
bzero(&server,sizeof(server));
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(50000);// >50000 host to net short
server.sin_addr.s_addr = 0;
MSG msg;
bzero(&msg,sizeof(msg));
printf("input name:");
char name[50]={0};
fgets(name,sizeof(name),stdin);
name[strlen(name)-1]='\0';
strcpy(msg.client,name);
msg.type = LOGIN;
sendto(sockfd,&msg,sizeof(msg),0,(SA)&server,sizeof(server));
TH_ARG arg;
bzero(&arg,sizeof(arg));
arg.sockfd = sockfd;
strcpy(arg.name ,name);
arg.ser = server;// memcpy
pthread_t tid1,tid2;
pthread_create(&tid1,NULL,th1,&sockfd);
pthread_create(&tid2,NULL,th2,&arg);
pthread_join(tid1,NULL);
pthread_join(tid2,NULL);
return 0;
}