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《Unix/Linux系统编程》第十三章学习笔记

发布时间 2023-11-26 14:48:19作者: 风雾里

TCP/IP协议

  1. TCP/IP (Comer 1988, 2001; RFC1180 1991)是互联网的基础。TCP代表传输控制协议。 IP代表互联网协议。目前有两个 版本的IP, 即 IPv4和IPv6。IPv4使用32位地址，1Pv6则使用128位地址。 TCP/IP的组织结构分为几个层级， 通常称为TCP/IP堆栈。

  2. IP

    • IP协议是在IP主机之间收发数据包时所用的协议，IP协议是默认无差错传输的，所以它并不可靠。

    • IP数据包是IP协议下的传输基本单位，它由IP头、发送方地址、接收方地址以及数据组成。每个IP数据包大小不超过64KB，IP头包含了有关数据包的信息，如数据包长、使用协议等，一个IP包头的格式基本如下：

      img

路由器、UDP和TCP

  1. 主机是支持TCP/IP协议的计算机或设备。每个主机由一个32位的IP地址来标识。为了方便起见，32位的IP 地址号通常用点记法表示,除此之外也可以用主机名来表示。实际上，应用程序通常使用主机名而不是IP 地址。在这个意义上说，主机名就等同于IP地址，因为给定其中一个，我们可以通过DNS（域名系统）服务器找到另一个，它将IP地址转换为主机名，反之亦然。
  2. IP地址分为两部分，即NetworkID字段和 HostID字段。根据划分。IP地址分为A-E 类。发往IP地址的数据包首先被发送到具有相同networkID的路由器。路由器将通过HostID将数据包转发到网络中的特定主机。每个主机都有一个本地主机名localhost，默认IP地址为127.0.0.1。本地主机的链路层是一个回送虚拟设备，它将每个数据包路由回同一个localhost。这个特性可以让我们在同一台计算机上运行TCP/IP 应用程序，而不需要实际连接到互联网。 IP协议用于在IP 主机之间发送/接收数据包。IP尽最大努力运行。
  3. IP 主机只向接收主机发送数据包，但它不能保证数据包会被发送到它们的目的地，也不能保证按顺序发送。这意味着 IP并非可靠的协议。必要时，必须在IP 层的上面实现可靠性。
  4. IP数据包由IP头、发送方IP 地址和接收方IP 地址以及数据组成。每个IP数据包的大小最大为64KB。IP 头包含有关数据包的更多信息，例如数据包的总长度、数据包使用 TCP 还是 UDP、生存时间（TTL）计数、错误检测的校验和等。
  5. 路由器可作为接受和转发数据包的特殊IP主机传输相隔很远的IP主机间的数据包 UDP（用户数据报协议）在IP上运行，用于发送/接收数据报。与IP类似，
  6. UDP不能保证可靠性，但是快速高效。它可用于可靠性不重要的情况。 TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议，用于发送/接收数据流。
  7. TCP也可在IP 上运行，但它保证了可靠的数据传输。通常，UDP类似于发送邮件的USPS，而TCP类似于电话连接。

网络编程与套接字

  1. 网络编程

    ​ 网络编程需要一些网络部件，在Ubuntu Linux系统中就可能需要适用于Http和CGI编程的Apache服务器。

    大多数的网络编程任务都是基于服务器-客户端的模型的。在这个模型中，客户端首先从服务器主机上运行服务进程。然后在客户端主机上运行客户端。

  2. 套接字编程

    ​ 在网络编程中，TCP/IP的用户界面是通过一系列C语言库函数和系统调用来实现的，这些函数和系统调用统称为套接字API。为了使用套接字API,我们需要套接字地址结构，它用于标识服务器和客户机。netdb.h和sys/socket.h中有套接字地址结构的定义。

    套接字地址数据结构：

    struct socketddr_in {
sa_family_t sin_family;  //TCP/IP中的sin_family始终是AF_INET
in_port_t sin_port;	     //按网络字节顺序排列的端口号
struct in_addr sin_addr; //按网络字节顺序排列的主机IP地址
};
struct in_addr {
uint32_t s_addr;	     //按网络字节顺序排列的主机IP地址
}
    • TCP/IP 网络的 sin_family 始终设置为AF_INET。
    • sin_port 包含按网络字节顺序排列的端口号。
    • sin addr是按网络字节顺序排列的主机 IP地址。

    ​ 服务器需要创建一个套接字，并将其与包含服务器IP地址和端口号的套接字地址绑定。它（指服务器套接字）可以使用一个固定端口号，或是操作系统内核所选择的端口号（当sin_port为0时）。

    ​ 而为了与服务器通信，客户端也需要一个套接字。UDP套接字可以直接绑定到服务器地址，如果一个客户端套接字没有绑定到任何特定服务器，它就必须在后续的sendto()/recvfrom()调用中提供一个包含服务器IP和端口号的套接字地址。

  3. socket系统调用

    1. int套接字

      ​ 基本格式是int (int 域，int 类型，int 协议)，实例：

      用于收发UDP数据报的套接字:

      int udp_sock = socket(AF_INET , SOCKET_DGRAM , 0);

      用来收发数据流的面向连接的TCP套接字:

      int tcp_sock = socket(AF_INET , SOCKET_STREAM , 0);

    2. int bind()

      ​ 基本格式是

      int bind(int sockfd , struct sockaddr *addr , socklen_t addrlen);

      ​ bind()系统调用将addr指定的地址分配给文件描述符sockfd所引向的套接字，addrlen指定addr所指向地址结构的大小（以字节为单位）。

      ​ 对于用来联系其他UDP服务器主机的UDP套接字，必须绑定客户机地址，允许服务器发出应答。

      ​ 对于用于接受客户端连接的TCP套接字，必须先将它绑定到服务器主机地址。

    3. UDP套接字

      ​ UDP套接字使用scndto()/recvfrom()来发送/接收数据报。格式如下：

      ssize_t sendto(int sockfd , const void *buf , size_t len , int flags , const struct sockaddr *dest_addr , socklen_t addrlen);

ssize_t recvfrom(int sockfd , void *buf , size_t len , itn flags , struct sockaddr *src_addr , socklen_t *addr);

      ​ 其中sento()将缓冲区中的len字节数据发送到dest_addr标识的目标主机,该目标主机包含主机IP和端口号。recvfrom()从客户主机接收数据。除了数据以外，它还用客户机的IP和端口号填充src_addr，从而允许服务器将应答发送回客户机。

    4. TCP套接字

      ​ 建立起与服务器的连接后，TCP服务器使用listen()和accept()来接受来自客户机的连接:

      int listen(int sockfd , int backlog);

      ​ listen()将sockfd引用的套接字标记为将用于接收连入连接的套接字。backlog参数定义了等待连接的最大队列长度。

      int accept(int sockfd , struct sockaddr *addr , socklen_t *adderlen);

      ​ accept()与基于连接的套接字一起使用。它提取等待队列上的第一个连接请求用来监听套接字sockfd，创建一个新的套接字，并返回一个引用该套接字的新文件描述符，与客户机主机连接。在执行accept()时，TCP服务器阻塞，直到客户机通过connect()建立连接。

      connect()的基本格式:

      int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen t addrlen);

      ​ connect()系统调用将文件描述符sockfd引用的套接字连接到addr指定的地址，addrlen参数指定addr的大小。addr中的地址格式由套接字sockfd的地址空间决定。

      ​ 若套接字sockfd是UDP类型，addr就是发送数据报的默认地址，同时也是接受数据报的唯一地址。

      ​ 若为TCP类型，connect()就会尝试连接到绑定到addr指定地址的套接字。

    5. send()/read()以及recv()/write()

      ​ 建立连接后，两个TCP主机都可以使用send()/write()发送数据，并使用recv()/read()接受数据。它们的区别在于send()和recv()中的flag参数的不同，通常情况下的flag都被设为0。

      （那么什么情况下会设置为其他数呢？）

      四种调用的基本格式:

      ssize_t send(int sockfd , const void *buf , size_t len , int flags);
ssize_t write(int sockfd , const void *buf , size_t len);

ssize_t recv(int socket , void *buf , size_t len , int flags);
ssize_t read(int sockfd , void *buf , size_t len);

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