网络编程（TCP通信）

【1】认识网络

网络：多设备通信

【2】IP地址

1.基本概念

IP地址是Internet中主机的标识
Internet中的主机要与别的机器通信必须具有一个IP地址
IP地址为32位（IPv4）或者128位（IPv6）

NAT：公网转私网、私网转公网

IPV4表示形式：常用点分十进制形式，如202.38.64.10，最后都会转换为一个32位的无符号整数。

NAT设备（网络地址转换）

● 功能：NAT设备的主要功能是将内部私有IP地址转换为公共IP地址，或反向操作，以便在局域网和外部网络（如互联网）之间进行通信。

● 工作原理：

当局域网内的设备访问互联网时，NAT设备记录设备的内部IP地址和源端口，并用公共IP地址替换。

响应的流量也会经过NAT设备，NAT通过记录的映射关系将数据包发送回正确的内部设备。

● 作用对象：NAT设备用于管理与外部网络（如互联网）的通信，通常作为路由器的一部分。

DHCP服务器（动态主机配置协议）

● 功能：DHCP服务器的主要任务是自动分配IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器ip等网络配置给网络中的设备（客户端），简化网络管理。

● 工作原理：

当一个设备（如电脑或手机）首次连接到网络时，它会发送一个DHCP请求。

DHCP服务器接收到请求后，从预设的IP地址池中分配一个可用的IP地址，并返回给客户端。

● 作用对象：DHCP服务器专注于局域网内部的IP地址管理。

2.网络号/主机号(二级划分)

思考：你了解你的身份证号吗？

IP地址 = 网络号+主机号

网络号：表示是否在一个网段内（局域网）

主机号：标识在本网段内的ID，同一局域网不能重复

3.IP地址分类

整体分类

A类：(0.0.0.0-127.255.255.255)（默认子网掩码：255.0.0.0）

第一个字节为网络号，后三个字节为主机号(一个字节占8位)。该类IP地址的最前面为“0”，因为网络号是8位,所以地址的网络号取值于 0~127之间(0000 0000)(0111 1111)。

一般用于大型网络,主机号取值在0 - 2 ^24之间. 127.0.0.1：本机回环地址

B类：(128.0.0.0-191.255.255.255)（默认子网掩码：255.255.0.0）

前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“10”，所以地址的网络号取值于128~191之间。

一般用于中等规模网络。

C类：(192.0.0.0-223.255.255.255)（子网掩码：255.255.255.0）

前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“110”，所以地址的网络号取值于192~223之间。

一般用于小型网络(一般教室使用的是C类)。

D类：(224.0.0.0- 239.255.255.255)是多播地址。

该类IP地址的最前面为“1110”，所以地址的范围取值于224~239之间。

一般用于组播用户，组播通信。

E类：是保留地址。该类IP地址的最前面为“1111”，所以地址的取值于240~247之间。

一般是一些保密单位用得到，平时基本不会用到

A类：1.0.0.1~126.255.255.254

B类：128.0.0.1~~191.255.255.254

C类：192.0.0.1~~223.255.255.254

D类（组播地址）：224.0.0.1~~239.255.255.254

特殊地址

0.0.0.0：在服务器中，0.0.0.0指的是本机上的所有IPV4地址，如果一个主机有两个IP地址，192.168.1.1 和 10.1.2.1，并且该主机上的一个服务监听的地址是0.0.0.0,那么通过两个ip地址都能够访问该服务。

127.0.0.1：回环地址/环路地址，所有发往该类地址的数据包都应该被loop back。

网络地址: 每一个网段主机号为0的地址; 如: 192.168.50.169--》192.168.50.0

它是网络中的一个特殊地址，不能被分配给任何具体的主机。

广播地址: 主机号最大的地址是该网段的广播地址如：192.168.50.255

如： b类IP 广播地址为： 130.223.255.255

全网广播地址 : 255.255.255.255，该地址不能随便用,会影响这个网络

4.子网掩码

子网掩码：是一个32位的整数，作用是将某一个IP划分成网络地址和主机地址；
子网掩码长度是和IP地址长度完全一样；
网络号全为1，主机号全为0；
公式：网络地址=IP & MASK（子网掩码）

主机地址= IP& ~MASK

192.168.50.168 255.255.255.0

192.168.50.168 & 255.255.255.0 = 192.168.50.0

192.168.50.168 & ~255.255.255.0 = 192.168.50.168 & 0.0.0.255 = 0.0.0.168

练习：

练习一：B类地址的子网掩码怎么写？255.255.0.0

练习二：B类地址，同一网段最多可以连接多少个主机？216-2=65536-2

练习三：已知一个子网掩码号为255.255.255.192，问：最多可以连接多少台主机？

子网掩码特点：网络号全为1，主机号全为0

192==》1100 0000 26-2

练习四：一个IP地址为192.168.3.183 ，计算其网络号与主机号

C类：255.255.255.0

网络号：192.168.3.0

主机号：0.0.0.183

练习五：如果有800台电脑, 在不浪费ip情况下, 选用哪个网段?B

5.三级划分

作用: 重新划分网络号和主机号 , 也就是重新组网 , 从而提高资源利用率

二级划分 IP ：IP地址= 网络号 + 主机号

三级划分 IP ：IP地址= 网络号 + 子网号 + 主机号

笔试1：某公司有四个部门：行政、研发1、研发2、营销，每个部门各50台计算机接入公司局域网，如果要在192.168.1.0网段为每个部门划分子网，子网掩码应该怎么设置，每个子网的地址范围分别是什么？（4个部门之间不能通信）

C类：254

192.168.1.0000 0000

行政：192.168.1.00 00 0000-192.168.1.00 11 1111--》192.168.1.0-192.168.1.63

研发一：192.168.1.01 00 0000-192.168.1.01 11 1111--》192.168.1.64-192.168.1.127

研发二：192.168.1.10 00 0000-192.168.1.10 11 1111--》192.168.1.128-192.168.1.191

营销：192.168.1.11 00 0000-192.168.1.11 11 1111-》192.168.1.192-192.168.1.255

子网掩码：255.255.255.11 00 0000===》255.255.255.192

有两台电脑主机,在最少浪费IP地址的情况下.将172.16.14.4与172.16.13.2划归为同一网段,则子网掩码应该设置为225.255.252.0

B类

172.16.0000 1110.4

172.16.0000 1101.2

三级划分：网络号（172.16）+子网号（二进制0000 11）+主机号（自己的）

255.255.1111 11 00.0==》255.255.252.0

【3】socket

1.socket发展

1）1982 - Berkeley Software Distributions 操作系统引入了socket作为本地进程之间通信的接口

2）1986 - Berkeley 扩展了socket 接口，使之支持UNIX 下的TCP/IP 通信

3）现在很多应用 (FTP, Telnet) 都依赖这一接口

2.socket介绍

1、是一个编程接口

2、是一种特殊的文件描述符 (everything in Unix is a file)

3、socket是一种通信机制，并不仅限于TCP/IP协议

4、面向连接 (Transmission Control Protocol - TCP/IP)

无连接 (User Datagram Protocol -UDP 和 Inter-network Packet Exchange - IPX)

3.为什么需要socket？

1.普通的I/O操作过程：打开文件－＞读/写操作－＞关闭文件

2.TCP/IP协议被集成到操作系统的内核中，引入了新型的“I/O”操作 ----->进行网络通信的两个进程在不同的机器上，如何连接？网络协议具有多样性，如何进行统一的操作 ?

需要一种通用的网络编程接口：Socket

4.socket类型

流式套接字(SOCK_STREAM) TCP

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) UDP

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，还有一些ping命令

5.位置

【4】端口号

● 为了区分一台主机接收到的数据包应该转交给哪个进程来进行处理，使用端口号来区分

● TCP端口号与UDP端口号独立（UDP port为8888，TCP port也可为8888 ）

● 端口号一般由IANA (Internet Assigned Numbers Authority) 管理

● 端口用两个字节来表示

众所周知端口（被占用）：1~1023（1~255之间为众所周知端口，256~1023端口通常由UNIX系统占用）

已登记端口：1024~49151(----可用来建立与其它主机的会话----)

动态或私有端口：49152~65535 --固定某些服务使用--

【5】字节序

字节序: 不同类型的cpu主机，内存存储大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序。

分类：

小端序（little-endian） - 低序字节存储在低地址 (主机字节序)

大端序（big-endian）- 高序字节存储在低地址 (网络字节序)

网络中传输的数据必须使用网络字节序，即大端字节序

终端显示的数据必须是主机字节序，即小端字节序

网络传输中,需要将每个主机的主机字节序(CPU决定),转换为网络中统一顺序的网络字节序，才能供双方主机去识别。

只需要转换IP和port就可以,不需要转换传输的数据包的字节序，因为IP和port为 4个字节和2个字节, 而数据报一般都为char类型, 占一个字节，根据字节序的性质,内存存储大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，所以char类型并不具有字节序的概念。

端口转换 5678

主机字节序转换为网络字节序（小端序->大端序）

u_long htonl (u_long hostlong); //host to internet long

u_short htons (u_short short);  //掌握这个

网络字节序转换为主机字节序（大端序->小端序）

u_long ntohl (u_long hostlong);

u_short ntohs (u_short short);

IP地址转换 "192.168.31.238"

主机字节序转换为网络字节序（小端序->大端序）

in_addr_t  inet_addr(const char *strptr);  //该参数是字符串
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr {
    in_addr_t s_addr;
};
功能:  主机字节序转为网络字节序
参数:  const char *strptr: 字符串
返回值: 返回一个无符号长整型数(无符号32位整数用十六进制表示), 
      否则NULL

网络字节序转换为主机字节序（大端序->小端序）

char *inet_ntoa(stuct in_addr inaddr);
功能:   将网络字节序二进制地址转换成主机字节序。 
参数:  stuct in_addr in addr  : 只需传入一个结构体变量
返回值:  返回一个字符指针, 否则NULL;

【6】tcp编程

（C/S架构：client server B/S架构：browser server）

1.流程

服务器-------------------------------------------------------------------》接电话者

创建套接字（socket）---------------》有手机
指定网络信息---------------------------》有号码
绑定套接字（bind）------------------》绑定手机（插卡）
监听套接字（listen）-----------------》待机
接收客户端连接连接请求（accept）--》接电话
接收、发送数据（recv send）---》通话
关闭套接字（close）-----------------》挂电话

客户端-------------------------------------------------------------------》打电话者

创建套接字（socket）------------》有手机
指定（服务器）网络信息--------》有对方的号码
连接（connect）-------------------》拨打电话
接收发送消息（recv send）---》通话
关闭套接字（close）------------》挂电话

2.函数接口

1.socket

int socket(int domain, int type, int protocol);
功能：创建套接字
参数：
   domain：协议族
     AF_UNIX, AF_LOCAL  本地通信
     AF_INET            ipv4
     AF_INET6            ipv6
  type：套接字类型
     SOCK_STREAM:流式套接字
     SOCK_DGRAM：数据报套接字
      SOCK_RAW：原始套接字
  protocol：协议 - 填0 自动匹配底层 ，根据type
  系统默认自动帮助匹配对应协议
     传输层：IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_ICMP
     网络层：htons(ETH_P_IP|ETH_P_ARP|ETH_P_ALL)
 返回值：
    成功 文件描述符
    失败 -1，更新errno

2.bind

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
功能：绑定
参数：
    socket：套接字
    addr：用于通信结构体 (提供的是通用结构体，需要根据选择通信方式，填充对应结构体-通信当时socket第一个参数确定)   
    addrlen：结构体大小   
  返回值：成功 0   失败-1,更新errno
  
 通用结构体：
  struct sockaddr {
     sa_family_t sa_family;
     char        sa_data[14];
 }

ipv4通信结构体：
struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family;
    in_port_t      sin_port;  
    struct in_addr sin_addr;  
};
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;    
};

本地通信结构体：
 struct sockaddr_un {
     sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */
     char        sun_path[108];            /* pathname */
 };

3.listen

int listen(int sockfd, int backlog);
功能:监听，将主动套接字变为被动套接字
参数：
 sockfd：套接字
 backlog：同时响应客户端请求链接的最大个数，不能写0.
  不同平台可同时链接的数不同，一般写6-8个
    (队列1：保存正在连接)
    (队列2，连接上的客户端)
   返回值：成功 0   失败-1,更新errno

4.accept

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
accept(sockfd,NULL,NULL);
功能：阻塞函数，阻塞等待客户端的连接请求，如果有客户端连接，
则accept()函数返回，返回一个用于通信的套接字文件;
参数：
   Sockfd ：套接字
   addr： 链接客户端的ip和端口号
      如果不需要关心具体是哪一个客户端，那么可以填NULL;
   addrlen：结构体的大小
     如果不需要关心具体是哪一个客户端，那么可以填NULL;
返回值： 
     成功：文件描述符; //用于通信
		失败：-1，更新errno

5.recv

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
功能: 接收数据 
参数： 
    sockfd： acceptfd ;
    buf  存放位置
    len  大小
    flags  一般填0，相当于read()函数
    MSG_DONTWAIT  非阻塞
返回值： 
   < 0  失败出错  更新errno
   ==0  表示客户端退出
   >0   成功接收的字节个数

6.connect

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
功能：用于连接服务器；
参数：
     sockfd：socket函数的返回值
     addr：填充的结构体是服务器端的；
     addrlen：结构体的大小
返回值 
      -1 失败，更新errno
      正确 0

7.send

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
功能：发送数据
参数：
    sockfd:socket函数的返回值
    buf：发送内容存放的地址
    len：发送内存的长度
    flags：如果填0，相当于write();