7.8-UC-第八课:网络通信

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了7.8-UC-第八课:网络通信相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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第八课  网络通信
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一、基本概念
------------

1. ISO/OSI七层网络协议模型
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

+------------+--------------+ ---
|   应用层   |  Application |  ^
+------------+--------------+  |
|   表示层   | Presentation | 高层
+------------+--------------+  |
|   会话层   |    Session   |  v
+------------+--------------+ ---
|   传输层   |   Transport  |  ^
+------------+--------------+  |
|   网络层   |    Network   |  |
+------------+--------------+ 低层
| 数据链路层 |   Data Link  |  |
+------------+--------------+  |
|   物理层   |    Physical  |  v
+------------+--------------+ ---

2. TCP/IP协议族
~~~~~~~~~~~~~~~

1) TCP (Transmission Control Protocol, 传输控制协议)

面向连接的服务。

2) UDP (User Datagram Protocol, 用户数据报文协议)

面向无连接的服务。

3) IP (Internet Protocol, 互联网协议)

信息传递机制。

图示:tcpip.bmp

3. TCP/IP协议与ISO/OSI模型的对比
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

   ISO/OSI       TCP/IP
+------------+------------+
|   应用层   |            |
+------------+            |
|   表示层   |   应用层   | TELNET/FTP/HTTP
+------------+            |
|   会话层   |            |
+------------+------------+
|   传输层   |   传输层   | TCP/UDP
+------------+------------+
|   网络层   |  互联网层  | IP/路由
+------------+------------+
| 数据链路层 |            |
+------------+ 网络接口层 | 驱动/设备
|   物理层   |            |
+------------+------------+

图示:osi.bmp

4. 消息流
~~~~~~~~~

   ISO/OSI       TCP/IP                    TCP/IP      ISO/OSI
+------------+------------+  V      ^  +------------+------------+
|   应用层   |            |  |      |  |            |   应用层   |
+------------+            |  |      |  |            +------------+
|   表示层   |   应用层   |  |      |  |   应用层   |   表示层   |
+------------+            |  |      |  |            +------------+
|   会话层   |            |  |      |  |            |   会话层   |
+------------+------------+  |      |  +------------+------------+
|   传输层   |   传输层   |  V      ^  |   传输层   |   传输层   |
+------------+------------+  |      |  +------------+------------+
|   网络层   |  互联网层  |  |      |  |  互联网层  |   网络层   |
+------------+------------+  |      |  +------------+------------+
| 数据链路层 |            |  |      |  |            | 数据链路层 |
+------------+ 网络接口层 |  |      |  | 网络接口层 +------------+
|   物理层   |            |  +      +  |            |   物理层   |
+------------+------------+   \____/   +------------+------------+

5. 消息包
~~~~~~~~~

+-----------------+
| TELNET/FTP/HTTP |
+-----------------+
|     TCP/UDP     |
+-----------------+
|       IP        |
+-----------------+
|     ETHERNET    |
+-----------------+

从上至下,消息包逐层递增,从下至上,消息包逐层递减。

6. IP地址
~~~~~~~~~

1) IP地址是Internet中唯一的地址标识

A. 一个IP地址占32位,正在扩充至128位。

B. 每个Internet包必须带IP地址。

2) 点分十进制表示法

0x01020304 -> 1.2.3.4,高数位在左,低数位在右。

3) IP地址分级

A级:0 + 7位网络地址 + 24位本地地址
B级:10 + 14位网络地址 + 16位本地地址
C级:110 + 21位网络地址 + 8位本地地址
D级:1110 + 28位多播(Muticast)地址

4) 子网掩码

IP地址 & 子网掩码 = 网络地址

IP地址:  192.168.182.48
子网掩码:255.255.255.0
网络地址:192.168.182
本地地址:48

二、套接字(Socket)
------------------

1. 接口
~~~~~~~

   PuTTY -> telnet
 LeapFTP ->    ftp -> socket -> TCP/UDP -> IP -> 网卡驱动 -> 网卡硬件
      IE ->   http /     ^
                         |
应用程序 ----------------+

图示:bsd.bmp

2. 异构
~~~~~~~

Java @ UNIX -> socket <----> socket <- C/C++ @ Windows

3. 模式
~~~~~~~

1) 点对点(Peer-to-Peer, P2P):一对一的通信。

2) 客户机/服务器(Client/Server, C/S):一对多的通信。

4. 绑定
~~~~~~~

先要有一个套接字描述符,还要有物理通信载体,
然后将二者绑定在一起。

5. 函数
~~~~~~~
网络通信(通信之间要协议)
1.通信模型
1)创建一个socket
2)准备通信地址
3)绑定
4)通信
5)关闭socket
2socket函数
#include<sys/socket.h>
socket(int domain,int type,int protocol);
domain:域
用来选择通信使用的协议簇(是TCP还是其他的)


1) 创建套接字

#include <sys/socket.h>

int socket (int domain, int type, int protocol);

domain   - 域/地址族,取值:

    AF_UNIX/AF_LOCAL/AF_FILE: 本地通信(进程间通信);
    AF_INET: 基于TCP/IPv4(32位IP地址)的网络通信;
    AF_INET6: 基于TCP/IPv6(128位IP地址)的网络通信;
    AF_PACKET: 基于底层包接口的网络通信(内核通信协议)。

type     - 通信协议,取值:

    SOCK_STREAM: 数据流协议(按顺序发送),即TCP协议;
    SOCK_DGRAM: 数据报协议(),即UDP协议。

protocol - 特别通信协议,一般不用,置0即可。

成功返回套接字描述符(文件描述符),失败返回-1。

套接字描述符类似于文件描述符,UNIX把网络当文件看待,
发送数据即写文件,接收数据即读文件,一切皆文件。

2) 准备通信地址(un.h)

A. 基本地址类型

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;   // 地址族
    char        sa_data[14]; // 地址值
};

B. 本地地址类型

#include <sys/un.h>

struct sockaddr_un {
    sa_family_t sun_family; // 地址族
    char        sun_path[]; // 套接字文件路径
};

C. 网络地址类型

#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in {
    // 地址族
    sa_family_t sin_family;

    // 端口号
    // unsigned short, 0-65535
    // 逻辑上表示一个参与通信的进程
    // 使用时需要转成网络字节序
    // 0-1024端口一般被系统占用
    // 如:21-FTP、23-Telnet、80-WWW
    in_port_t sin_port;

    // IP地址
    struct in_addr sin_addr;
};

struct in_addr {
    in_addr_t s_addr;
};

typedef uint32_t in_addr_t;

IP地址用于定位主机,端口号用于定位主机上的进程。

3) 将套接字和通信地址绑定在一起

#include <sys/socket.h>

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

成功返回0,失败返回-1。

4) 建立连接

#include <sys/socket.h>

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

成功返回0,失败返回-1。

5) 用读写文件的方式通信:read/write

6) 关闭套接字:close

7) 字节序转换

#include <arpa/inet.h>

// 32位无符号整数,主机字节序 -> 网络字节序
uint32_t htonl (uint32_t hostlong);

// 16位无符号整数,主机字节序 -> 网络字节序
uint16_t htons (uint16_t hostshort);

// 32位无符号整数,网络字节序 -> 主机字节序
uint32_t ntohl (uint32_t netlong);

// 16位无符号整数,网络字节序 -> 主机字节序
uint16_t ntohs (uint16_t netshort);

主机字节序因处理器架构而异,有的采用小端字节序,
有的采用大端字节序。网络字节序则固定采用大端字节序。

8) IP地址转换

#include <arpa/inet.h>

// 点分十进制字符串 -> 网络字节序32位无符号整数
in_addr_t inet_addr (const char* cp);

// 点分十进制字符串 -> 网络字节序32位无符号整数
int inet_aton (const char* cp, struct in_addr* inp);

// 网络字节序32位无符号整数 -> 点分十进制字符串
char* inet_ntoa (struct in_addr in);

6. 编程
~~~~~~~

1) 本地通信

服务器:创建套接字(AF_LOCAL)->准备地址(sockaddr_un)并绑定->接收数据->关闭套接字
客户机:创建套接字(AF_LOCAL)->准备地址(sockaddr_un)并连接->发送数据->关闭套接字

范例:locsvr.c、loccli.c

2) 网络通信

服务器:创建套接字(AF_INET)->准备地址(sockaddr_in)并绑定->接收数据->关闭套接字
客户机:创建套接字(AF_INET)->准备地址(sockaddr_in)并连接->发送数据->关闭套接字

范例:netsvr.c、netcli.c

三、基于TCP协议的客户机/服务器模型
----------------------------------

1. 基本特征
~~~~~~~~~~~

1) 面向连接。

2) 可靠,保证数据的完整性和有序性。

ABCDEF

A ->         -
B ->         |
C ->         +- 时间窗口
D ->         |
E -> <- A OK -
F -> <- B OK
     <- C OK
     <- D OK
     <- E OK
     <- F OK

每个发送都有应答,若在时间窗口内没有收到A的应答,
则从A开始重发。

2. 编程模型
~~~~~~~~~~~

------+-------------------------+-------------------------+------
 步骤 |          服务器         |         客户机          | 步骤
------+------------+------------+------------+------------+------
   1  | 创建套接字 | socket     |     socket | 创建套接字 |  1
   2  | 准备地址   | ...        |        ... |   准备地址 |  2
   3  | 绑定套接字 | bind       |            |       ---- |
   4  | 监听套接字 | listen     |            |       ---- |
   5  | 接受连接   | accept     |    connect |   建立链接 |  3
   6  | 接收请求   | recv       |       send |   发送请求 |  4
   7  | 发送响应   | send       |       recv |   接收响应 |  5
   8  | 关闭套接字 | close      |      close | 关闭套接字 |  6
------+------------+------------+------------+------------+------

图示:handshake.bmp、tcpcs.bmp

3. 常用函数
~~~~~~~~~~~

#include <sys/socket.h>

int listen (int sockfd, int backlog);

将sockfd参数所标识的套接字标记为被动模式,
使之可用于接受连接请求。

backlog参数表示未决连接请求队列的最大长度,
即最多允许同时有多少个未决连接请求存在。
若服务器端的未决连接数已达此限,
则客户机端的connect()函数将返回-1,
且errno为ECONNREFUSED。

成功返回0,失败返回-1。

图示:listen.bmp

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

从sockfd参数所标识套接字的未决连接请求队列中,
提取第一个连接请求,同时创建一个新的套接字,
用于在该连接中通信,返回该套接字的描述符。

addr和addrlen参数用于输出连接请求发起者的地址信息。

成功返回通信套接字描述符,失败返回-1。

图示:accept.bmp

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

通过sockfd参数所标识的套接字,
期望接收len个字节到buf所指向的缓冲区中。

成功返回实际接收到的字节数,失败返回-1。

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

通过sockfd参数所标识的套接字,
从buf所指向的缓冲区中发送len个字节。

成功返回实际被发送的字节数,失败返回-1。

图示:concurrent.bmp

范例:tcpsvr.c、tcpcli.c

图示:inetd.bmp

四、基于UDP协议的客户机/服务器模型
----------------------------------

1. 基本特征
~~~~~~~~~~~

1) 无连接。

2) 不可靠,不保证数据的完整性和有序性。

         A
        /
       /  
ABC ->+-(B)-+-> CA
          /
        /
         C

效率高速度快。

2. 编程模型
~~~~~~~~~~~

------+-------------------------+-------------------------+------
 步骤 |          服务器         |         客户机          | 步骤
------+------------+------------+------------+------------+------
   1  | 创建套接字 | socket     |     socket | 创建套接字 |  1
   2  | 准备地址   | ...        |        ... |   准备地址 |  2
   3  | 绑定套接字 | bind       |            |       ---- |
   4  | 接收请求   | recvfrom   |     sendto |   发送请求 |  3
   5  | 发送响应   | sendto     |   recvfrom |   接收响应 |  4
   6  | 关闭套接字 | close      |      close | 关闭套接字 |  5
------+------------+------------+------------+------------+------

图示:udpcs.bmp

3. 常用函数
~~~~~~~~~~~

#include <sys/socket.h>

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

通过sockfd参数所标识的套接字,
期望接收len个字节到buf所指向的缓冲区中。

若src_addr和addrlen参数不是空指针,
则通过这两个参数输出源地址结构及其长度。
注意在这种情况下,
addrlen参数的目标应被初始化为,
src_addr参数的目标数据结构的大小。

成功返回实际接收到的字节数,失败返回-1。

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

通过sockfd参数所标识的套接字,
从buf所指向的缓冲区中发送len个字节。

发送目的的地址结构及其长度,
通过dest_addr和addrlen参数输入。

成功返回实际被发送的字节数,失败返回-1。

范例:udpsvr.c、udpcli.c

图示:tcp_udp.bmp

127.0.0.1: 回绕地址,表示本机,不依赖网络。

练习:基于TCP协议的网络银行。

代码:bank/































































































































































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