网络编程 day01

0. 网络编程课程介绍

1. 网络基础：IP、子网掩码、端口号、网络基础模型（OS、TCP/IP）、传输协议
2. socket：TCP、UDP模型、广播、组播、协议分析、抓包工具的使用、IO多路复用、并发服务器
3. SQL数据库
4. TCP实现FTP、电子词典

1. 认识网络

1.网络发展史

ARPnetA （阿帕网） ---- Internet （因特网） ---- 移动互联网 ---- 物联网

TCP/IP
用来检测网络传输中差错的传输控制协议--------TCP
专门负责对不同网络进行互联的互联网协议-----IP

2.局域网与广域网

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。

怎么上网？
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”。

3.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。
猫的作用：将光（模拟）信号转化为数字信号
早期：电话线
现在：光纤

4.路由器

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

5.交换机与路由器

交换机工作原理
 交换机：用于局域网内网的数据转发
 路由器：用于连接局域网和外网，也能进行数据转发
现在大部分路由器都有有交换机的功能；
但是交换机没有IP分配和IP寻址的功能，所以交换机没有路由器的功能。

6.网线

2. IP

1. 基本概念

1. IP地址是Internet中主机的标识
2. Internet中的主机要与别的机器通信必须具有一个IP地址
3. IP地址为32位（IPv4 ，2³²）或者128位（IPv6，2¹²⁸个）
   NAT：公网转私网、私网转公网
4. IPV4表示形式：常用点分十进制形式，如202.38.64.10，最后都会转换为一个32位的无符号整数。

NAT设备（网络地址转换）
 功能：NAT设备的主要功能是将内部私有IP地址转换为公共IP地址，或反向操作，以便在局域网和外部网络（如互联网）之间进行通信。
 工作原理：
当局域网内的设备访问互联网时，NAT设备记录设备的内部IP地址和源端口，并用公共IP地址替换。
响应的流量也会经过NAT设备，NAT通过记录的映射关系将数据包发送回正确的内部设备。
 作用对象：NAT设备用于管理与外部网络（如互联网）的通信，通常作为路由器的一部分。

DHCP服务器（动态主机配置协议）
 功能：DHCP服务器的主要任务是自动分配IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器ip等网络配置给网络中的设备（客户端），简化网络管理。
 工作原理：
当一个设备（如电脑或手机）首次连接到网络时，它会发送一个DHCP请求。
DHCP服务器接收到请求后，从预设的IP地址池中分配一个可用的IP地址，并返回给客户端。
 作用对象：DHCP服务器专注于局域网内部的IP地址管理。

2. 网络号/主机号（二级划分）

IP地址 = 网络号+主机号
网络号：表示是否在同一个网段内（局域网）
主机号：表示在网段内的ID，同一网段内不重复

3. IP地址分类

整体分类

 A类：(0.0.0.0 - 127.255.255.255)（默认子网掩码：255.0.0.0）
 第一个字节为网络号，后三个字节为主机号(一个字节占8位)。该类IP地址的最前面为“0”，因为网络号是8位，所以地址的网络号取值于 0~127之间(0000 0000)(0111 1111)。一般用于大型网络,主机号取值在0 - 2 ^24之间。

 B类：(128.0.0.0 - 191.255.255.255）（默认子网掩码：255.255.0.0）
 前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“10”，所以地址的网络号取值于128~191之间。一般用于中等规模网络。

 C类：(192.0.0.0 - 223.255.255.255)（子网掩码：255.255.255.0）
 前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“110”，所以地址的网络号取值于192~223之间。一般用于小型网络(一般教室使用的是C类)。

 D类：(224.0.0.0 - 239.255.255.255)，多播地址。
 该类IP地址的最前面为“1110”，所以地址的范围取值于224~239之间。一般用于组播用户，组播通信。

 E类：是保留地址。该类IP地址的最前面为“1111”，所以地址的取值于240~247之间。一般是一些保密单位用得到，平时基本不会用到

特殊地址

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。
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。
网络地址
 每一个网段主机号为0的地址; 如：192.168.50.0。它是网络中的一个特殊地址，不能被分配给任何具体的主机。
广播地址
 主机号最大的地址是该网段的广播地址 如：192.168.50.255。如： b类IP 广播地址为： 130.223.255.255
全网广播地址 : 255.255.255.255， 该地址不能随便用,会影响这个网络

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

4.子网掩码(MASK)

1. 子网掩码：是一个32位的整数，作用是将某一个IP划分成网络地址和主机地址；
2. 子网掩码长度是和IP地址长度完全一样；
3. 网络号全为1，主机号全为0；
4. 公式：网络地址 = IP & MASK
   主机地址 = IP& ~MASK

5. 练习

练习一：B类地址的子网掩码怎么写？
 答：255.255.0.0
练习二：B类地址，同一网段最多可以连接多少个主机？
 答：2¹⁶ - 2 ；
 网络地址和广播地址（.1一般是路由器登陆界面）
练习三：已知一个子网掩码号为255.255.255.192，问：最多可以连接多少台主机？
 答：2⁶ - 2；
 子网掩码：网络号全为1，主机号全为0；192 ： 1100 0000；主机号只有6位；主机数为2⁶-2台
练习四：一个IP地址为192.168.3.183，计算其网络号与主机号
 网络号：192.168.3.0
 主机号：0.0.0.183
练习五： 如果有800台电脑, 在不浪费ip情况下, 选用哪个网段?
 答：B类；C类同一网段只有2⁸个，A类在同一网段会有2²⁴个主机

6. 三级划分

作用：重新划分网络号和主机号, 也就是重新组网 , 从而提高资源利用率
二级划分 IP ：IP地址= 网络号 + 主机号
三级划分 IP ：IP地址= 网络号 + 子网号 + 主机号
练习一：某公司有四个部门：行政、研发1、研发2、营销，每个部门各50台计算机接入公司局域网，如果要在192.168.1.0网段为每个部门划分子网，子网掩码应该怎么设置，每个子网的地址范围分别是什么？（4个部门之间不能通信）
答：C类（254台主机）主机号：0000 0000
 行政：0000 0000 - 0011 1111=》
 研发1：0100 0000 - 0111 1111=》
 研发2：1000 0000 - 1011 1111=》
 营销：1100 0000 - 1111 1111=》
 子网掩码：255.255.255.1100 0000 =》255.255.255.192
练习二：有两台电脑主机,在最少浪费IP地址的情况下.将172.16.14.4与172.16.13.2划归为同一网段,则子网掩码应该设置为？
答：255.255.252.0
解析

1. 同一网段内主机号不同，网络号相同
2. 从二级划分中主机号中划分出相同部分作为子网号，子网号与网络号合称网络号

 14.4：172.16.0000 1110.0000 0100
 13.2：172.16.0000 1101.0000 0010
 子网号：172.16.0000 11
 主机号：10.0000 0100 和 01.0000 0010
 子网掩码：255.255.1111 1100.0000 0000==》255.255.252.0

3. 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

TCP/IP

应用层：应用协议和应用程序的集合
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
进程一定有进程号，不一定有端口号，端口号只有在进行网络通信才有
网络层：提供设备到设备的传输，可以理解为通过IP寻址机器。
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。

OSI和TCP/IP的对应关系

常见协议

网络接口和物理层:
 ppp：拨号协议（老式电话线上网方式）
 Ethernet：是一种常见的局域网技术，使用MAC地址进行帧的传输和接收
 Wi-Fi：用于无线局域网的数据传输，通常基于IEEE 802.11标准
网络层:
 IP(IPV4/IPV6)：网间互连的协议
 ICMP：网络控制管理协议，ping命令使用
 IGMP：网络分组管理协议，广播和组播使用
 ARP：地址解析协议 IP–>MAC
 RARP：反向地址转换协议 MAC–>IP
  （ARP；RARP在网络接口和物理层工作）
传输层：
 TCP：传输控制协议
 UDP：用户数据报协议
应用层：
 SSH：加密协议
 telnet：远程登录协议
 FTP：文件传输协议
 HTTP：超文本传输协议
 DNS：域名解析协议 （将人类易于记忆的域名（如www.baidu.com）转换为计算机使用的IP地址（如192.0.2.1））
 SMTP/POP3：邮件传输协议

DNS

 由于使用IP地址来指定计算机不方便人们记忆，且输入时候容易出错，用字符标识网络中计算机名称方法。
 域名（Domian Name ）
 域名服务器（Domain Name server）：用来处理IP地址和域名之间的转换。
 域名系统（Domain Name System，DNS）：域名翻译成IP地址的软件DNS
域名结构
 例如域名 www.baidu.com.cn 从右向左看
 cn为高级域名，也叫一级域名，它通常分配给主干节点，取值为国家名，cn代表中国
 com为网络名，属于二级域名，它通常表示组织或部门
中国互联网二级域名共40个，edu表示教育部门，com表示商业部门，gov表示政府，mil军队等等
 baidu为机构名，在此为三级域名，表示百度
 www：万维网world wide web，也叫环球信息网，是一种特殊的信息结构框架。
工作流程

网络调试命令

ping

测试网络连通性（ICMP）
作为平时网络连通检测使用最多的命令，它的作用主要为：
● 用来检测网络的连通情况和分析网络速度；
● 根据域名得到服务器IP；
● 根据ping返回的TTL值来判断对方所使用的操作系统及数据包经过路由器数量。

字节：数据包大小
时间：响应时间：时间越小证明链接地址的速度越快
TTL：time to live：从源到目的，每经过一个路由器，TTL减一。当TTL = 0 时，数据包丢失

netstat

netstat是控制台命令，是一个监控TCP/IP网络的非常有用的工具，它可以显示路由表、实际的网络连接以及每一个网络接口设备的状态信息。Netstat用于显示与IP、TCP、UDP相关的统计数据，一般用于检验本机各端口的网络连接情况。

netstat -a //查看所有网络状态
netstat -at //查看tcp所有网络状态
netstat -au //查看udp所有网络状态
netstat -l //查看处于监听状态的链接
netstat -lt //查看处于监听状态的链接tcp
netstat -lu //查看处于监听状态的链接udp
netstat -lx //查看处于监听状态的链接unix

ifconfig

查看网络接口信息

ens33：网卡名称 en：Ethernet s：表示热插拔槽上的设备 33：插槽编号
lo：回环网卡

格式	含义
ifconfig 具体网卡名称	只显示具体网卡的详细信息（无论是否启用）
ifconfig -a	表示显示所有网卡包括没有启动的网卡
ifconfig 网卡名称	up/down 表示开启或关闭网卡
ifconfig 网络接口 IP地址[/子网掩码长度]	新建临时IP地址（添加 一块虚拟网卡）
ifconfig -s	查看通讯情况

手机调试工具

全能调试

4. socket

1. socket 发展

1. 1982 - Berkeley Software Distributions 操作系统引入了socket作为本地进程之间通信的接口
2. 1986 - Berkeley 扩展了socket 接口，使之支持UNIX 下的TCP/IP 通信
3. 现在很多应用 (FTP, Telnet) 都依赖这一接口

2. socket 介绍

1. 是一个编程接口，函数
2. 是一种特殊的文件描述符 (everything in Unix is a file)
3. socket是一种通信机制，并不仅限于TCP/IP协议
4. 面向连接 (Transmission Control Protocol - TCP/IP)
5. 无连接 (User Datagram Protocol -UDP 和 Inter-network Packet Exchange - IPX)

3. 为什么需要socket？

1. 普通的I/O操作过程 ：打开文件－＞读/写操作－＞关闭文件
2. TCP/IP协议被集成到操作系统的内核中，引入了新型的“I/O”操作：
   进行网络通信的两个进程在不同的机器上，如何连接？
   网络协议具有多样性，如何进行统一的操作？
   需要一种通用的网络编程接口：Socket

4.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。
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，还有一些ping命令

5. 位置

6. TCP/UDP

相同点：都存在于传输层，全双工通信

TCP：全双工通信、面向连接、可靠
 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)。
 高可靠原因
 1. 三次握手、四次挥手
 2. 序列号和应答机制
 3. 超时，错误重传机制
 4. 拥塞控制、流量控制(滑动窗口)

 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
 MSN/QQ等即时通讯软件的用户登录账户管理相关的功能通常采用TCP协议

UDP：全双工通信、面向无连接、不可靠
 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，因为不需要进行连接，所以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。
 MSN/QQ/Skype等即时通讯软件的点对点文本通讯以及音视频通讯通常采用UDP协议

5. 端口号 port

 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，使用端口号来区分
 TCP端口号与UDP端口号独立（UDP port为8888，TCP port也可为8888 ）
 端口号一般由IANA (Internet Assigned Numbers Authority) 管理
 端口用两个字节来表示

众所周知端口（被占用：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）)
已登记端口：1024 - 49151(可用来建立与其它主机的会话)
动态或私有端口：49152 - 65535 固定某些服务使用

6. 字节序

字节序: 不同类型的cpu主机，内存存储大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序。
小端序（little-endian）= 低序字节存储在低地址 = 主机字节序
大端序（big-endian）= 高序字节存储在低地址 = 网络字节序
网络中传输的数据必须使用网络字节序，即大端字节序
终端显示的数据必须是主机字节序，即小端字节序
 网络传输中，需要将每个主机的主机字节序（CPU决定），转换为网络中统一顺序的网络字节序，才能供双方主机去识别。
 只需要转换IP和port就可以,不需要转换传输的数据包的字节序，因为IP和port为 4个字节和2个字节, 而数据报一般都为char类型, 占一个字节，根据字节序的性质，内存存储大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，所以char类型并不具有字节序的概念。
练习：写一个程序，判断当前主机的字节序？

union en
{int in;char ch;
};
int main()
{int myend = 0x12345678;// 指针char *endp = (char *)&myend;printf("%#x\n", *endp);// 数据类型char endch = (char)myend;printf("%#x\n", endch);// 共用体union en endun;endun.in = myend;endun.ch = (char)endun.in;printf("%#x", endun.ch);
}

int 类型的myend占满四个字节，强转成char类型的数据时会按照主机的大小端类型存储。如果强转之后打印出来的是“78”，说明低位字节存储在低地址位，是小端存储；如果强转之后打印出来的是“12”，说明高位字节存储在低地址位，是大端存储。