【网络编程】基础知识

网络发展史

局域网和广域网

局域网（LAN）

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。

复制代码

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。

复制代码

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。

复制代码

#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）

复制代码

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？

复制代码

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

复制代码

uint16_t` `htons(uint16_t hostshort);`
`

网络字节序到主机字节序

复制代码

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。

复制代码

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

复制代码

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

复制代码

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

复制代码

//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

复制代码

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

复制代码

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

复制代码

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

复制代码

//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

复制代码

int` `close(int fd);`
`关闭套接字连接`
`

示例代码

TCP客户端

复制代码

#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

复制代码

#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;`
`}`
`

【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

accept

recv/send

close

示例代码

TCP客户端

TCP服务器

广域网（Wan）