Linux网络编程基础

目录

一、网络发展历史和分层

1.1Internet的历史

1.2网络的体系结构

1.2.1OSI模型

1.2.2TCP/IP协议族

1.2.3各层典型协议

1.2.4网络的封包和拆包

二、网络编程的预备知识

2.1Socket

2.1.1概念

2.1.2类型

2.2IP地址

2.3端口号

2.4字节序

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一、网络发展历史和分层

1.1Internet的历史

• 1968年6月提出”阿帕网“，是Internet的最早雏形，采用NCP网络控制协议。缺点是不能互联不同类型的计算机和不同类型的操作系统，且没有纠错功能

• 1973年由Robert Kahn和Vinton Cerf两人合作为阿帕网开发了新的互联协议，1974年12月两人正式发表第一份TCP协议详细说明，但此协议在有数据包丢失时不能有效纠正

• TCP协议分成两个不同的协议，自此TCP/IP协议诞生

  • 用来检测网络传输中差错的传输控制协议TCP（可靠传输）

  • 专门负责对不同网络进行互联的互联网协议IP（不可靠传输）

• 1983年阿帕网上停止使用NCP，互联网上的主机全部使用TCP/IP协议。TCP/IP协议成为Internet中的”世界语“

1.2网络的体系结构

        网络的层次结构和每层所使用协议的集合，网络采用分层思想。每一层实现不同的功能，对上层的数据做透明传输。每一层向上层提供服务，同时使用下层提供的服务。

两类非常重要的体系结构：OSI和TCP/IP

1.2.1OSI模型

• OSI模型相关的协议已经很少使用，但模型本身非常通用

• OSI模型是一个理想化的模型，尚未有完整的实现

• 共有七层

 

与linux系统对应的话，低层相当于内核，高层相当于应用层。

网络上与之有关的比如交换机，二层交换机（对应数据链路层）、三层交换机（对应网络层，偏软件）

1.2.2TCP/IP协议族

• TCP/IP协议是Internet事实上的工业标准

• 共有四层

•  网络接口和物理层（这一层有各式各样的硬件），主要是屏蔽硬件差异，然后为上层提供统一的接口（具体地比如net_device 结构体，网卡特性通过其中的成员来描述）；
• 传到上层网络层后，主要是实现端到端的通信（跨机器、跨操作系统、跨区域），典型的比如IP协议；
• 再往上，传输层会实现通信和数据的完整性，比如TCP可靠传输，UDP不可靠传输（是否可靠只是基于不同应用场景）；
• 最后应用层，是用户和网络之间的接口，负责提供具体的应用服务

1.2.3各层典型协议

1.网络接口和物理层

• MAC地址：48位全球唯一，网络设备的身份标识（相当于设备的身份证号码）

• ARP/RARP：解析地址，比如IP地址---->MAC地址，MAC地址---->IP地址

• PPP：拨号协议，从以前的电话线拨号连接发展到现在的无线（GPRS/3G/4G）

2.网络层

• IP：Internet protocol（分为IPV4和IPV6），IPV4地址是192.168.7.246这种，IPV6地址则是十六进制的

• ICMP：Internet控制管理协议，比如ping命令

• IGMP：Internet分组管理协议，广播、组播

3.传输层

• TCP：Transfer Control protocol传输控制协议，提供面向连接的（建立虚拟连接），一对一的可靠数据传输的协议（通过消耗一定资源来实现），这种可靠体现在数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达

• SCTP：TCP的增强版，能实现多主机、多链路通信

• UDP：user Datagram protocol用户数据报/包协议，提供不可靠，无连接的尽力传输协议，优点是不需要进行连接，高效

4.应用层

• 网页访问协议，HTTP/HTTPS

• 邮件发送接收协议：POP3（收）/SMTP（发）、IMAP（可接收邮件的一部分）

• 文件传输：FTP

• 远程登录：Telnet（明文传输）/SSH（加密传输）

• 嵌入式相关

  • NTP网络时钟协议

  • SNMP简单网络管理协议（实现对网络设备集中式管理）

  • RTP/RTSP传输音视频的协议（安防监控）

1.2.4网络的封包和拆包

以该图为例（左边server往右边client发送数据）：发送方经过各层会加上包头进行封包，最终通过驱动发送到路由器，路由器中间可能会经过不同网络，最终发送给接收方，存入它的空间，读取这个数据包就是不断地拆包环节

相关的概念有：

• MTU：Maximum Transmission Unit 最大传输单元，和网络类型相关，以太网标准1500字节，IPV61280字节

• MSS：Maximum Segment Size 最大报文段大小，基于MTU计算，不含各种头部开销

二、网络编程的预备知识

2.1Socket

2.1.1概念

• 是一个应用编程接口（介于应用空间和内核空间）

• 一种特殊的文件描述符（可以read、write、close）

• 网络编程的一种资源

• 并不仅限于TCP/IP协议，面向连接----TCP/IP、无连接----UDP和IPX

2.1.2类型

• 流式套接字（SOCK_STREAM），唯一对应TCP，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），唯一对应UDP，独立数据包形式发送

• 原始套接字（SOCK_RAM），可跨过、穿透传输层，通过IP、ICMP直接访问

2.2IP地址

• Internet中主机的标识（要与别的机器通信必须具有一个IP地址）（相当于设备的住址，可以变动）

• 分为IPV4（32位地址）和IPV6（128位地址），常用IPV4

• mobile IPV6：local IP（本地注册的IP），roam IP（漫游IP）

• 每个数据包都必须携带目的IP地址和源IP地址，路由器依靠此信息帮数据包选择路由

• IPV4地址表示形式：点分十进制形式----192.168.7.246、整数形式（省资源）

• 特殊IP地址

  • 局域网IP：192.XXX.XXX.XXX、 10.XXX.XXX.XXX

  • 广播IP：XXX.XXX.XXX.255、255.255.255.255（全网广播）

  • 组播IP：224.XXX.XXX.XXX、239.XXX.XXX.XXX

IP地址转换函数如下：

#include <arpa/inet.h>//将点分十进制形式IP地址的字符串 转换为32位网络字节序整数
//仅用于IPV4，出错时返回-1，因此不能转换全网广播255.255.255.255的地址
in_addr_t inet_addr(const char *cp) 

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>//将点分十进制形式IP地址的字符串 转换为32位网络字节序整数
//IPV4和IPV6都可用，能正确处理全网广播的地址
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst)params: af----AF_INET或AF_INET6src---源地址---点分十进制形式IP字符串dst---转换结果地址---32位整数return: 成功返回1 出错返回其他值//和它反过来的，将32位整数转换为点分十进制形式IP地址字符串
//成功返回非空指针，失败返回NULL
const char *inet_ntop(int af, const void * src, char * dst, socklen_t size)    

2.3端口号

• 为了区分一台主机接收到的数据包应该转交给哪个进程/线程来进行处理，使用端口号来区别

• 16位的数字（1~65535）

• 知名端口：1~1023（FTP：21、SSH：22、HTTP：80、HTTPS：469）

• 保留端口：1024~5000

• 可使用的端口：5000~65535

• TCP端口和UDP端口是相互独立的（意味着即使端口号相同也不冲突）原因如下图：

• 

网络通信是由IP地址+端口号来决定

2.4字节序

• 不同的CPU访问内存中的多字节数据（所以不包含字符串）时，存在大小端问题

  • 小端：低地址存低位数据，高地址存高位数据（个人简记为顺端），像x86/ARM一般都采用小端

  • 大端：低地址存高位数据，高地址存低位数据（个人简记为逆端），像powerpc/mips都采用大端

• 网络字节序采用大端模式

• 字节序转换函数：

  • 主机->网络：

    • u_long htonl(u_long hostlong)    4字节
      u_short htons(u_short hostshort) 2字节

  • 网络->主机：

    • u_long ntohl(u_long netlong)
      u_short ntohs(u_short netshort)

字节序转换函数一般用来转换端口号，IP地址的转换前面已有API