第11章 網(wǎng)絡(luò)通信

1、TCP/IP協(xié)議概述OSI參考模型及TCP/IP參考模型 te ln e t f tp IP v 4 、 IP v 6 A R P 、 R A R P M P L S IG M P IC M P T C P U D P 應(yīng) 用 層 傳 輸 層 網(wǎng) 絡(luò) 層 網(wǎng) 絡(luò) 接 口 層 TCP 三次握手和TCP數(shù)據(jù)包頭格式為應(yīng)用程序提供可靠的通信連接。適合于一次傳輸大批數(shù)據(jù)的情況。并適用于要求得到響應(yīng)的應(yīng)用程序。 SYN J SYN K, ACK J+1 ACK K+1 UDP UDP即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，它是一種無(wú)連接協(xié)議，因此不需要像TCP那樣通過(guò)三次握手來(lái)建立一個(gè)連接。同時(shí)，一個(gè)UDP應(yīng)用可同時(shí)作為應(yīng)用

2、的客戶或服務(wù)器方。由于UDP協(xié)議并不需要建立一個(gè)明確的連接，因此建立UDP應(yīng)用要比建立TCP應(yīng)用簡(jiǎn)單得多。它比TCP協(xié)議更為高效，也能更好地解決實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。如今，包括網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)在內(nèi)的眾多的客戶/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都使用UDP協(xié)議。 協(xié)議的選擇 （1）對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的要求對(duì)數(shù)據(jù)要求高可靠性的應(yīng)用需選擇TCP協(xié)議，如驗(yàn)證、密碼字段的傳送都是不允許出錯(cuò)的，而對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性要求不那么高的應(yīng)用可選擇UDP傳送。（2）應(yīng)用的實(shí)時(shí)性TCP協(xié)議在傳送過(guò)程中要使用三次握手、重傳確認(rèn)等手段來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。使用TCP協(xié)議會(huì)有較大的時(shí)延，因此不適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，如VOIP、視頻監(jiān)控等。相反，

3、UDP協(xié)議則在這些應(yīng)用中能發(fā)揮很好的作用。（3）網(wǎng)絡(luò)的可靠性由于TCP協(xié)議的提出主要是解決網(wǎng)絡(luò)的可靠性問(wèn)題，它通過(guò)各種機(jī)制來(lái)減少錯(cuò)誤發(fā)生的概率。因此，在網(wǎng)絡(luò)狀況不是很好的情況下需選用TCP協(xié)議（如在廣域網(wǎng)等情況），但是若在網(wǎng)絡(luò)狀況很好的情況下（如局域網(wǎng)等）就不需要再采用TCP協(xié)議，而建議選擇UDP協(xié)議來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)編程socket概念在Linux中的網(wǎng)絡(luò)編程是通過(guò)socket接口來(lái)進(jìn)行的。socket是一種特殊的I/O接口，它也是一種文件描述符。它是一種常用的進(jìn)程之間通信機(jī)制，通過(guò)它不僅能實(shí)現(xiàn)本地機(jī)器上的進(jìn)程之間的通信，而且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)能夠在不同機(jī)器上的進(jìn)程之間進(jìn)行通信。每一個(gè)sock

4、et都用一個(gè)半相關(guān)描述協(xié)議、本地地址、本地端口來(lái)表示；一個(gè)完整的套接字則用一個(gè)相關(guān)描述協(xié)議、本地地址、本地端口、遠(yuǎn)程地址、遠(yuǎn)程端口來(lái)表示。socket也有一個(gè)類似于打開(kāi)文件的函數(shù)調(diào)用，該函數(shù)返回一個(gè)整型的socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^(guò)socket來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 socket類型 （1）流式socket（SOCK_STREAM）流式套接字提供可靠的、面向連接的通信流；它使用TCP協(xié)議，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和順序性。（2）數(shù)據(jù)報(bào)socket（SOCK_DGRAM）數(shù)據(jù)報(bào)套接字定義了一種無(wú)連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過(guò)相互獨(dú)立的報(bào)文進(jìn)行傳輸，是無(wú)序的，并且不保證是可靠、無(wú)差錯(cuò)的。

5、它使用數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。（3）原始socket原始套接字允許對(duì)底層協(xié)議如IP或ICMP進(jìn)行直接訪問(wèn)，它功能強(qiáng)大但使用較為不便，主要用于一些協(xié)議的開(kāi)發(fā)。 socket信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct sockaddr unsigned short sa_family; /*地址族*/ char sa_data14; /*14字節(jié)的協(xié)議地址，包含該socket的IP地址和端口號(hào)。*/;struct sockaddr_in short int sa_family; /*地址族*/ unsigned short int sin_port; /*端口號(hào)*/ struct in_addr sin_addr; /*

6、IP地址*/ unsigned char sin_zero8; /*填充0 以保持與struct sockaddr同樣大小*/;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)先順序 的轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有兩種字節(jié)優(yōu)先順序：高位字節(jié)優(yōu)先（稱為大端模式）和低位字節(jié)優(yōu)先（稱為小端模式）。Internet上數(shù)據(jù)以高位字節(jié)優(yōu)先順序在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，因此在有些情況下，需要對(duì)這兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)優(yōu)先順序進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。這里用到了四個(gè)函數(shù)：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。這四個(gè)地址分別實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序和主機(jī)字節(jié)序的轉(zhuǎn)化，這里的h代表host，n代表network，s代表short，l代表long。通常16位的IP端口號(hào)用s代表

7、，而IP地址用l來(lái)代表。地址格式轉(zhuǎn)化（1） 通常用戶在表達(dá)地址時(shí)采用的是點(diǎn)分十進(jìn)制表示的數(shù)值（或者是以冒號(hào)分開(kāi)的十進(jìn)制IPv6地址），而在通常使用的socket編程中所使用的則是二進(jìn)制值，這就需要將這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這里在IPv4中用到的函數(shù)有inet_aton()、inet_addr()和inet_ntoa()，而IPv4和IPv6兼容的函數(shù)有inet_pton()和inet_ntop()。 地址格式轉(zhuǎn)化（2）名字地址轉(zhuǎn)化 （1）通常，人們?cè)谑褂眠^(guò)程中都不愿意記憶冗長(zhǎng)的IP地址，尤其到IPv6時(shí)，地址長(zhǎng)度多達(dá)128位，那時(shí)就更加不可能一次次記憶那么長(zhǎng)的IP地址了。因此，使用主機(jī)名將會(huì)是很好

8、的選擇。在Linux中，同樣有一些函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)名和地址的轉(zhuǎn)化，最為常見(jiàn)的有g(shù)ethostbyname()、gethostbyaddr()和getaddrinfo()等，它們都可以實(shí)現(xiàn)IPv4和IPv6的地址和主機(jī)名之間的轉(zhuǎn)化。其中g(shù)ethostbyname()是將主機(jī)名轉(zhuǎn)化為IP地址，gethostbyaddr()則是逆操作，是將IP地址轉(zhuǎn)化為主機(jī)名，另外getaddrinfo()還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別IPv4地址和IPv6地址。名字地址轉(zhuǎn)化 （2）- 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct hostent char *h_name;/*正式主機(jī)名*/ char *h_aliases;/*主機(jī)別名*/ int

9、 h_addrtype;/*地址類型*/ int h_length;/*地址字節(jié)長(zhǎng)度*/ char *h_addr_list;/*指向IPv4或IPv6的地址指針數(shù)組*/struct addrinfo int ai_flags;/*AI_PASSIVE, AI_CANONNAME;*/ int ai_family;/*地址族*/ int ai_socktype;/*socket類型*/ int ai_protocol;/*協(xié)議類型*/ size_t ai_addrlen;/*地址字節(jié)長(zhǎng)度*/ char *ai_canonname;/*主機(jī)名*/ struct sockaddr *ai_addr

10、;/*socket結(jié)構(gòu)體*/ struct addrinfo *ai_next;/*下一個(gè)指針鏈表*/名字地址轉(zhuǎn)化 （3）名字地址轉(zhuǎn)化 （4）socket基礎(chǔ)編程 （1） socket編程的基本函數(shù)有socket()、bind()、listen()、accept()、send()、sendto()、recv()以及recvfrom()等，其中根據(jù)客戶端還是服務(wù)端，或者根據(jù)使用TCP協(xié)議還是UDP協(xié)議，這些函數(shù)的調(diào)用流程都有所區(qū)別。 socket()：該函數(shù)用于建立一個(gè)socket連接，可指定socket類型等信息。在建立了socket連接之后，可對(duì)sockaddr或sockaddr_in結(jié)構(gòu)進(jìn)

11、行初始化，以保存所建立的socket地址信息。 bind()：該函數(shù)是用于將本地IP地址綁定到端口號(hào)，若綁定其他IP地址則不能成功。另外，它主要用于TCP的連接，而在UDP的連接中則無(wú)必要。 listen()：在服務(wù)端程序成功建立套接字和與地址進(jìn)行綁定之后，還需要準(zhǔn)備在該套接字上接收新的連接請(qǐng)求。此時(shí)調(diào)用listen()函數(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)等待隊(duì)列，在其中存放未處理的客戶端連接請(qǐng)求。socket基礎(chǔ)編程 （2） accept()：服務(wù)端程序調(diào)用listen()函數(shù)創(chuàng)建等待隊(duì)列之后，調(diào)用accept()函數(shù)等待并接收客戶端的連接請(qǐng)求。它通常從由bind()所創(chuàng)建的等待隊(duì)列中取出第一個(gè)未處理的連接請(qǐng)求。

12、 connect()：該函數(shù)在TCP中是用于bind()的之后的client端，用于與服務(wù)器端建立連接，而在UDP中由于沒(méi)有了bind()函數(shù)，因此用connect()有點(diǎn)類似bind()函數(shù)的作用。 send()和recv()：這兩個(gè)函數(shù)分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可以用在TCP中，也可以用在UDP中。當(dāng)用在UDP時(shí)，可以在connect()函數(shù)建立連接之后再用。 sendto()和recvfrom()：這兩個(gè)函數(shù)的作用與send()和recv()函數(shù)類似，也可以用在TCP和UDP中。當(dāng)用在TCP時(shí)，后面的幾個(gè)與地址有關(guān)參數(shù)不起作用，函數(shù)作用等同于send()和recv()；當(dāng)用在UDP時(shí)，可以