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第八课 网络通信
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一、基本概念
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1. ISO/OSI七层网络协议模型
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+------------+--------------+ ---
| 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
+------------+------------+
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| 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。
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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)
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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
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Java @ UNIX -> socket <----> socket <- C/C++ @ Windows
3. 模式
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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
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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
~~~~~~~
1) 创建套接字
#include <sys/socket.h>
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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。
type - 通信协议，取值：
SOCK_STREAM: 数据流协议，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，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
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
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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>
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// 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
~~~~~~~~~~~
------+-------------------------+-------------------------+------
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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,
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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
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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,
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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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第八课 网络通信