【网络编程】基础知识

网络发展史

局域网和广域网

局域网（LAN）

广域网（Wan）

光猫

路由器

网线

设备通信的要素

IP地址

基本概念

地址划分

特殊地址（后续编程使用）

IP地址转换

字节序

网络模型

网络的体系结构

OSI模型

TCP/IP模型

TCP/UDP

TCP

适用场景

UDP

适用场景

编程预备知识

socket定义

socket类型

函数接口

socket

connect

sockaddr结构体

bind

listen

recv/send

示例代码

TCP客户端

TCP服务器

网络发展史

网络的来历_百度知道

ARPnet--Internet--移动互联网--物联网--AI

局域网和广域网

局域网（LAN）

局域网的缩写是LAN，local area network，顾名思义，是个本地的网络，只能实现小范围短距离的网络通信。我们的家庭网络是典型的局域网。电脑、手机、电视、智能音箱、智能插座都连在路由器上，可以互相通信。局域网，就像是小区里的道路，分支多，连接了很多栋楼。

广域网（Wan）

广域网（Wide Area Network）是相对局域网来讲的，局域网的传输距离比较近，只能是一个小范围的。如果需要长距离的传输，比如某大型企业，总部在北京，分公司在长沙，局域网是无法架设的。广域网，就像是大马路，分支可能少，但类型多，像国道、省道、高速、小道等，连接了很多大的局域网。

这时需要其它的解决方案。

第一，通过因特网，只需要办一根宽带，就实现了通信，非常方便，现在的宽带价格也比较便宜。

第二，通过广域网专线。

所以为了数据安全，不能连接因特网，需要用一条自己的专用线路来传输数据，这条线路上只有自己人，不会有其他人接入，且距离很远，这个网络就叫 “广域网”。

光猫

光猫是一种类似于基带modem（数字调制解调器）的设备，和基带modem不同的是接入的是光纤专线，是光信号。用于广域网中光电信号的转换和接口协议的转换，接入路由器，是广域网接入。

将光线插入左侧的灰色口，右侧网口接网线到路由器即可。

路由器

用于连接局域网和外网

路由器需要区分WAN口和LAN口，WAN口是接外网的（从Modem出来的或者从上一级路由器出来的），LAN口是接内网的，现在路由器都带无线功能，本质上无线接入就是LAN。

网线

背过一种线序，了解网线的制作流程。

网线线序

网线制作教程

设备通信的要素

思考：如何抓捕周树人？

答：必须说明周树人，字鲁迅才能精准的抓人。

思考：你通过QQ发送一条消息，最终谁处理了这条信息？

答：需要通过IP定位对方的机器，那么周树人就是IP，鲁迅就是端口。

IP地址

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）
表示形式：常用点分十进制，如192.168.1.109，最后都会转换为一个32位的无符号整数。

地址划分

主机号的第一个和最后一个都不能被使用，第一个作为网段号，最后一个作为广播地址。

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

网段号的定义：主机位全为0，代表当前设备所处的网段号

这个需要结合子网掩码来计算，子网掩码规定了哪些是网络号，哪些是主机号

如果子网掩码位是1，那么当前为就是网络号，如果是0，那么当前位是主机号

网段号=IP&子网掩码

特殊地址（后续编程使用）

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。在程序里，用宏定义表示：INADDR_ANY

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。仅作为测试使用，只能实现本机上通信。

IP地址转换

实现了人看的IP（192.168.1.155）和机器内部使用（32位的无符号的整数）的实际IP进行转换。

struct in_addr {
    uint32_t s_addr;
};

 //从人看的ip地址转为机器使用的32位
typedef uint32_t in_addr_t;
in_addr_t inet_addr(const char *cp);

//从机器到人
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

示例：

给定一个IP地址，转换为机器的32位无符号整数，然后打印。

打印完后，再转回给人看的IP地址，再打印。

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //把人看的转成机器要的,192.168.0.109
    char ip[64] = "192.168.0.109";
    in_addr_t ip32 = inet_addr(ip);
    printf("ip = 0x%x\n", ip32);  //0x6d00a8c0

    //把机器的转成人看
    struct in_addr in;
    in.s_addr = ip32;

    char *p = inet_ntoa(in); 
    printf("p = %s\n", p);  //0x6d00a8c0

    return 0;
}

端口

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
TCP端口号与UDP端口号独立
端口号一般由IANA (Internet Assigned Numbers Authority) 管理
端口用两个字节来表示--USHORT
端口指定需要统一为网络字节序（大端）

众所周知端口：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）
注册端口：1024~49151（尽量用5000以上的）
动态或私有端口：49152~65535

字节序

网络中传输一字节以上的带类型的数据（比如short、int），必须使用网络字节序，即大端字节序。

小端序（little-endian） - 低序字节存储在低地址

大端序（big-endian）- 高序字节存储在低地址

面试题：写一个函数，判断当前主机的字节序？

int checkCPU()
{
	union w{
		short a;
		char b;
	}c;
	c.a = 1;
	return (c.b == 1);
}

主机字节序到网络字节序

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

网络字节序到主机字节序

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

网络模型

网络的体系结构

网络采用分而治之的方法设计，将网络的功能划分为不同的模块，以分层的形式有机组合在一起。
每层实现不同的功能，其内部实现方法对外部其他层次来说是透明的。每层向上层提供服务，同时使用下层提供的服务
网络体系结构即指网络的层次结构和每层所使用协议的集合
两类非常重要的体系结构：OSI与TCP/IP

OSI模型

OSI模型是一个理想化的模型，尚未有完整的实现
OSI模型共有七层
OSI现阶段只用作教学和理论研究

TCP/IP模型

网络接口和物理层：屏蔽硬件差异（驱动），向上层提供统一的操作接口。

网络层：提供端对端的传输，可以理解为通过IP寻址机器。

传输层：决定数据交给机器的哪个任务（进程）去处理，通过端口寻址

应用层：应用协议和应用程序的集合

OSI和TCP/IP模型对应关系图

注意：TCP和IP是属于不同协议栈层的，只是这两个协议属于协议族里最重要的协议，所以协议栈或者模型以之命名了。

TCP/UDP

TCP

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)。

适用场景

适合于对传输质量要求较高的通信

在需要可靠数据传输的场合，通常使用TCP协议

登录账户、文件传输等

UDP

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，不需要进行连接，可以进行高效率的数据传输。

适用场景

发送小尺寸数据（如对DNS服务器进行IP地址查询时）

适合于广播/组播式通信中。

音频、视频聊天等

编程预备知识

socket定义

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。

服务器：
   1.创建流式套接字（socket()）------------------------>  有手机
   2.指定本地的网络信息（struct sockaddr_in）----------> 有号码
   3.绑定套接字（bind()）------------------------------>绑定电话
   4.监听套接字（listen()）---------------------------->待机
   5.链接客户端的请求（accept()）---------------------->接电话
   6.接收/发送数据（recv()/send()）-------------------->通话
   7.关闭套接字（close()）----------------------------->挂机

客户端：
   1.创建流式套接字（socket()）----------------------->有手机
   2.指定服务器的网络信息（struct sockaddr_in）------->有对方号码
   3.请求链接服务器（connect()）---------------------->打电话
   4.发送/接收数据（send()/recv()）------------------->通话
   5.关闭套接字（close()）--------------------------- >挂机

函数接口

socket

int socket(int domain, int type, int protocol);
//作用：创建一个socket通信描述符
domain：指定通信的域（通信协议）
    AF_UNIX, AF_LOCAL   本地通信
    AF_INET  ipv4
    AF_INET6  ipv6
type：指定socket的类型
    SOCK_STREAM：流式套接字，接下来我们的通信使用TCP协议
    SOCK_DGRAM：数据报套接字，接下来我们的通信使用UDP协议
protocol：填0    

返回值：如果成功，返回创建的描述符，如果失败，返回-1

connect

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                   socklen_t addrlen);
作用：请求连接服务器
参数：
sockfd：上面socket接口得到的描述符
addr：相当于服务器的地址（IP+port）
addrlen:地址的长度，因为前面的地址是可变的，所以要通过参数来协定地址的长度
返回值：
0 -1

sockaddr结构体

//从bind接口的帮助文档中拿到
struct sockaddr {
               sa_family_t sa_family;
               char        sa_data[14];
           }
上述地址结构是一个通用结构，我们在用实际协议进行通信的时候，需要转换成相应协议的结构体。
用man 7 ip来查看ipv4对应的结构体

struct sockaddr_in {
   sa_family_t    sin_family; /* 地址协议族，=socket接口第一个参数 */
   in_port_t      sin_port;   /* 指定端口，端口要用网络字节序(大端) */
   struct in_addr sin_addr;   /* IP地址 */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
   uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

bind

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                socklen_t addrlen);
作用：绑定服务器地址：IP和端口，相当于对外公开自己的IP和端口，客户端就可以连接了
addr：绑定的IP和端口结构体，注意绑定的是自己的IP和端口
    IP：取真实的某个网卡的地址，也可以直接写0.0.0.0
addrlen：地址的大小

listen

int listen(int sockfd, int backlog);
作用：进入监听状态，以便接收客户端的连接
sockfd：上面的服务器描述符
backlog：同时能处理的客户端的连接数量，写个5 10都可以
返回值：0 -1

accept

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
接收客户端连接，注意，这是一个阻塞接口，如果没有新的连接过来，那么会等待
sockfd：上面的服务器描述符
addr：客户端的地址(来电显示)
addrlen：客户端地址的长度，是入参，传入然后可能会被接口修改

返回值：如果成功，会返回一个非负的整数，代表接收的新的连接的描述符

recv/send

//recv和send是网络的专用接口，比起read和write只是多了一个flags参数，flag一般情况下会取0，代表阻塞接受和发送
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
返回值：
    >0：接收的字节数
    <0：失败
    =0：代表对端退出了
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

close

int close(int fd);
关闭套接字连接

示例代码

TCP客户端

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //创建套接字
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd < 0)
    {
        perror("socket err");
        return -1;
    }

    //连接到服务器
    struct sockaddr_in server_addr;
    int len = sizeof(server_addr);
    
    //指定连接的服务器的地址（IP+port）
    memset(&server_addr, 0, len);
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8888);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.109");

    int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&server_addr, len);
    if(ret < 0)
    {
        perror("connect err");
        return -1;
    }

    printf("conect success\n");

    char buf[64] = {0};
    while (1)
    {
        memset(buf, 0, 64);
        //从终端接收用户输入，发给服务器，等待服务器的数据，打印
        gets(buf);
        if(strcmp(buf, "quit") == 0)
        {
            break;
        }

        send(fd, buf, 64, 0);

        memset(buf, 0, 64);
        ret = recv(fd, buf, 64, 0);
        if(ret > 0)
        {
            printf("recv data = %s\n", buf);
        }
        else if(ret == 0)
        {
            printf("peer exit\n");
            break;
        }
        else
        {
            perror("recv err\n");
            return -1;
        }
    }

    close(fd);
    

    return 0;
}

TCP服务器

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //创建服务器的套接字
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(server_fd < 0)
    {
        perror("socket err");
        return -1;
    }

    //初始化服务器地址
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    int len = sizeof(server_addr);
    
    memset(&server_addr, 0, len);
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8888);
#if 0    
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.194");
#else
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
#endif
    //绑定套接字的地址
    int ret = bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, len);
    if(ret < 0)
    {
        perror("bind err");
        return -1;
    }

    //启动监听
    ret = listen(server_fd, 5);
    if(ret < 0)
    {
        perror("listen err");
        return -1;
    }

    //接收连接
    int clientfd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
    if(clientfd < 0)
    {
        perror("accept err");
        return -1;        
    }

    //打印客户端的地址，注意端口要转成主机字节序
    printf("recv a new connect, ip = %s, port=%d\n",\
            inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

    char buf[64] = {0};

    while (1)
    {
        memset(buf, 0, 64);
        //一旦新的连接过来后，后续通信统统使用新的描述符
        len = read(clientfd, buf, 64);
        if(len > 0)
        {
            printf("recv data = %s\n", buf);
        }
        else if(len == 0)
        {
            printf("client exit\n");
            break;
        }
        else
        {
            perror("recv err\n");
            return -1;
        }
    }
    
    close(clientfd);
    close(server_fd);

    return 0;
}