專接本 網(wǎng)絡操作系統(tǒng) 課件第五章 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的接口

網(wǎng)絡操作系統(tǒng)第五章網(wǎng)絡操作系統(tǒng)

的接口學習目標通過本章的學習，希望您能夠了解：應用程序接口的編程使用方法套接字在網(wǎng)絡通信中的應用本章內(nèi)容1.應用程序接口的概念2.UNIX套接字及其應用3.WinSock及其應用課程議題1.應用程序接口的概念一、應用程序接口的概念應用程序接口是一組定義、程序及協(xié)議的集合，通過API接口可以實現(xiàn)計算機軟件之間的相互通信。目的是提供應用程序與開發(fā)人員基于某軟件或硬件的以訪問一組例程的能力，而又無需訪問源碼，或理解內(nèi)部工作機制的細節(jié)。操作系統(tǒng)的用戶接口包括命令輸入和系統(tǒng)調(diào)用，應用程序接口是完成某一個功能的多個系統(tǒng)調(diào)用和命令的組合，其功能是完成某一特定的操作。優(yōu)點：簡化編程、提高效率WindowsAPIWindowsAPI是一套用來控制Windows的各個部件的外觀和行為的一套預先定義的Windows函數(shù).用戶的每個動作都會引發(fā)一個或幾個函數(shù)的運行以告訴Windows發(fā)生了什么.API函數(shù)包含在Windows系統(tǒng)目錄下的動態(tài)連接庫文件中。更易理解地說：Windows這個多作業(yè)系統(tǒng)除了協(xié)調(diào)應用程式的執(zhí)行、分配內(nèi)存、管理系統(tǒng)資源…

之外，她同時也是一個很大的服務中心，調(diào)用這個服務中心的各種服務(每一種服務就是一個函數(shù))，可以幫應用程式達到開啟視窗、描繪圖形、使用周邊設備…等目的，由于這些函數(shù)服務的對象是應用程式，所以便稱之為ApplicationProgrammingInterface，簡稱API函數(shù)。WIN32API也就是MicrosoftWindows32位平臺的應用程序編程接口。在這些工具中提供了大量的類庫和各種控件，它們替代了API的神秘功能，事實上這些類庫和控件都是構架在WIN32API函數(shù)基礎之上的，是封裝了的API函數(shù)的集合。它們把常用的API函數(shù)的組合在一起成為一個控件或類庫，并賦予其方便的使用方法，所以極大的加速了WINDOWS應用程序開發(fā)的過程。有了這些控件和類庫，程序員便可以把主要精力放在程序整體功能的設計上，而不必過于關注技術細節(jié)。應用程序接口（API）API也是一種中間件，為各種不同的平臺提供數(shù)據(jù)共享。API分類：1）遠程過程調(diào)用：通過作用在共享數(shù)據(jù)緩存器上的過程實現(xiàn)程序間的通信。2）標準查詢語言（SQL）：是標準的訪問數(shù)據(jù)庫的查詢語言，通過通用數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)應用程序間的數(shù)據(jù)共享。3）文件傳輸：通過發(fā)送格式化的文件實現(xiàn)應用程序間的數(shù)據(jù)共享4）信息交付：指松耦合或緊耦合應用程序間的小型格式化信息，通過程序間的直接通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。開放API接口分類某些公司會將API作為其公共開放系統(tǒng)，公司制訂自己的系統(tǒng)接口標準，當需要執(zhí)行系統(tǒng)整合、自定義和程序應用等操作時，公司所有成員都可以通過該接口標準調(diào)用源代碼，該接口標準稱為開放式API。三種占主導地位的開放式API：1）

AT&T的UNIXSystemV，提供TLI/XTI接口。2）伯克利的軟件分布系統(tǒng)（BSD），提供Socket接口。3）

Microsoft的Windows系列，提供WinSock接口。一、TLI/XTI函數(shù)TLI即傳輸層接口，提供了OSI傳輸層和會話層之間的API。XTI即開放式傳送接口，它由TLI接口演變而來。TLI/XTI是一組函數(shù)的集合，為用戶提供傳輸層接口，包括建立通信、管理連接以及傳送數(shù)據(jù)、應用程序利用這些函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡應用?？刂频讓拥木W(wǎng)絡活動。1.TLI/XTI結構TLI/XTI把相互通信的兩個進程稱為端點。提供網(wǎng)絡應用底層端點到端點的通信，為用戶應用進程提供了直接傳輸?shù)慕涌?。TLI/XTI提供了直接傳輸?shù)慕涌?，所以將?shù)據(jù)封裝和協(xié)議指定留給了用戶，具有更多的靈活性，當然也失去了部分的通用性。用戶進程端點傳輸層用戶進程端點傳輸層2.TLI/XTI實例見課本P142頁程序?qū)嵗?、TLI/XTI的服務模式面向連接的服務模式和面向非連接的服務模式。客戶端服務端客戶端服務端SYNSYN，ackackSYNRSTT_openT_bindT_listenT_openT_bindT_connect課程議題2.UNIX套接字及其應用一、套接字TCP/IP參考模型就是廣為人知的Socket接口。套接字，也就是Socket接口，簡單地說就是通信雙方的一種約定，利用套接字中的相關函數(shù)來完成通信過程。Socket協(xié)議的形象描述socket非常類似于電話插座。以一個國家級電話網(wǎng)為例。在電話系統(tǒng)中，一般用戶只能感受到本地電話機和對方電話號碼的存在，建立通話的過程，話音傳輸?shù)倪^程以及整個電話系統(tǒng)的技術細節(jié)對他都是透明的，這也與socket機制非常相似。socket利用網(wǎng)間網(wǎng)通信設施實現(xiàn)進程通信，但它對通信設施的細節(jié)毫不關心，只要通信設施能提供足夠的通信能力，它就滿足了。通信原理Socket可以看成在兩個程序間進行通信連接中的一個端點。一個程序?qū)⒁欢涡畔懭隨ocket中，該Socket將這段信息發(fā)送給另外一個Socket，使這段信息能傳送到其它程序中。ProgrammeAProgrammeAHostAHostB套接字TCP/IP網(wǎng)絡網(wǎng)絡接口卡socketsocket實質(zhì)上提供了進程通信的端點。進程通信之前，雙方首先必須各自創(chuàng)建一個端點，否則是沒有辦法建立聯(lián)系并相互通信的。正如打電話之前，雙方必須各自擁有一臺電話機一樣。在網(wǎng)間網(wǎng)內(nèi)部，每一個socket用一個半相關描述:(協(xié)議，本地地址，本地端口)

用IP地址尋找目的地，IP地址是32位，通常用點分十進制方式表示。IPv6共128位。端口：16位，范圍0-65535，低于256的端口號為保留給標準應用程序。主要用于區(qū)分那個進程所用傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。套接字分類套接字是通信的基石，是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信的基本單元?？梢詫⑻捉幼挚醋鍪遣煌鳈C間的進程進行雙向通信的端點，它構成了單個主機內(nèi)及整個網(wǎng)絡間的編程界面。按通信性質(zhì)分為：流套接字和數(shù)據(jù)報套接字。套接字之間的連接過程分為三步驟互聯(lián)網(wǎng)通信，至少需要一對套接字，其中一個運行于客戶端，稱為ClientSocket，一個運行于服務端，稱為ServerSocket。根據(jù)連接啟動的方式以及本地套接字連接的目標，分為三步：1服務監(jiān)聽2客戶端請求3連接確認2套接字的應用通信過程見課本P149頁。利用套接字進行網(wǎng)絡通信一般要用到一下幾個函數(shù)：

1創(chuàng)建套接字函數(shù)socket；

2綁定本地名稱函數(shù)bind；

3建立連接函數(shù)connect；

4偵聽函數(shù)listen；

5接受數(shù)據(jù)函數(shù)accept；

6關閉套接字函數(shù)close。練習1.TLI／XTI是一組函數(shù)的集合，為用戶提供()A．網(wǎng)絡層接口 B.應用層接口C．運輸層接口 D.物理層接口2．IPV4的IP地址為()A．16位 B.32位C．64位 D.128位3．利用套接字進行網(wǎng)絡通信時，創(chuàng)建套接字的函數(shù)是()A．bind B.connectC．1isten D.socket練習1.TLI／XTI提供兩種服務模式，即面向連接的服務模式和______的服務模式。2.TLI/XTI把相互通信的兩個進程稱為()

A.端口B.節(jié)點C.接口D.端點3.支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信的基本操作單元是()

A.套接字B.端口C.端口號D.功能調(diào)用利用套接字進行網(wǎng)絡通信時，建立連接的函數(shù)是()

A.socket

B.bind

C.connect

D.accept支持雙向的數(shù)據(jù)流，但并不保證是可靠、有序、無重復的是()

A.流套接字B.數(shù)據(jù)報套接字

C.客戶端套接字D.服務器端套接字通常所說的套接字(socket)一般指UNIX環(huán)境下流行的_______________編程接口。課程議題3.WinSock及其應用一、winsock概述在Windows環(huán)境下利用套接字在TCP/IP上的編程接口就叫做WindowsSockets，即WinSock。通常所說的套接字，是指UNIX環(huán)境下的TCP/IP編程接口。WinSock規(guī)范是以U.CBerkeley大學的BSDUNIX中流行的Socket接口為范例定義了一套MicrosoftWindows下網(wǎng)絡編程接口，它不僅包含了人們所熟悉的BerkeleySocket風格的庫函數(shù)，也包含了一組針對Windows的擴展庫函數(shù)，以使程序員能充分的利用Windows消息驅(qū)動機制進行編程。WinSock支持單一的通信域，即Internet域。各種進程使用這個域用Internet協(xié)議進行通信。分為兩種套接字：流套接字：提供了雙向的、有序的、無重復并且無記錄邊界的數(shù)據(jù)流服務。數(shù)據(jù)報套接字：支持雙向的數(shù)據(jù)流，但并不保證可靠、有序、無重復。但是保留了記錄邊界，采用包交換網(wǎng)絡相似的模型來實現(xiàn)數(shù)據(jù)邊界的記錄。二、使用WinSock實現(xiàn)網(wǎng)絡通信客戶/服務器模型（c/s模型）網(wǎng)絡應用系統(tǒng)通常是一個客戶/服務器模型，要進行網(wǎng)絡通信，首先我們要理解什么是c/s模型。c/s模型由兩部分構成：客戶端和服務器端。

服務器工作的大致過程服務器工作的大致過程是：建立一個服務器，開啟服務器使服務器處于監(jiān)聽狀態(tài)，它檢查是否有客戶請求它的服務；如果有客戶進行請求且條件合格則接受此客戶的服務請求，即建立與客戶端的連接，此后雙方便可以傳送數(shù)據(jù)。并且服務器能同時對多個客戶端提供服務?？蛻舳斯ぷ鞯拇笾逻^程客戶端工作的大致過程：客戶端向服務器提出服務請求，請求連接到服務器，如果服務器接受了它的請求，則雙方可以通信。一般情況下，由客戶主動發(fā)起連接請求，而發(fā)起結束通信請求方則不一定。一個TCP連接的套接口對是一個定義該連接的兩個端點的四元組：

<本地IP地址，本地TCP端口號，遠程IP地址，遠程TCP端口號〉。套接口對唯一標識一個互聯(lián)網(wǎng)上的TCP連接。

標識每個端點的兩個值<IP地址,端口號>就稱為一個套接口。

若果使用無連接的通信只需要建立一個半關聯(lián)，在發(fā)送和接收時指明另一半的參數(shù)就可以了。所以說無連接的通信是將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一臺主機的指定端口。此外，不論是有連接還是無連接的通信都不需要兩端端口相同。二、WinSock的使用及重要函數(shù)講解：1Winsock的啟動和終止

應用程序在使用Windows

Sockets

DLL之前必須先調(diào)用函數(shù)WSAStartup（）。上面的流程中我們并沒有列出該函數(shù)，事實上由于winsock由DLL形式提供，為了完成一系列的初始化操作，每一個使用winsock的應用程序都必須進行WSAStartup（）函數(shù)調(diào)用，并且只有在成功的完成調(diào)用之后才能使用scoket。

WSAStartup（）函數(shù)

函數(shù)的原形如下：

int

PASCAL

FAR

WSAStartup(WORD

wVersionRequired,

LPWSADATA

lpWSAData);

wVersionRequired表示欲使用的winsock

API的版本，這是一個WORD類型的整數(shù)，它的高位字節(jié)是次版本號，低位字節(jié)是主版本號；lpWSAData是指向WSADATA結構的指針，用于返回Windows

Sockets

DLL的一些技術細節(jié)。如果初始化成功則函數(shù)返回0，否則返回各種錯誤代碼。2建立通信連接socket()函數(shù)：創(chuàng)建套接字

任何用戶要進行通信都要調(diào)用socket()函數(shù)指定通信協(xié)議的類型，創(chuàng)建套接字。

函數(shù)的原形：int

socket(int

family,int

type,int

protocol)；

參數(shù)參數(shù)family指明協(xié)議族，也就是利用它來分辨地址的類型，一般為AF_INET表示在Internet上的socket；type指明套接口類型，也即是通信的類型可以為SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM；protocol參數(shù)說明該套接字使用的協(xié)議族中的特定協(xié)議，如果調(diào)用者不希望特別指定使用的協(xié)議，則置為0，使用默認的連接模式。

若函數(shù)調(diào)用成功，則返回一個套接口描述字，簡稱套接字（sockfd）；若調(diào)用失敗，則返回INVALID_SOCKET。

一個套接字用socket()創(chuàng)建后，它其實還沒有與任何特定的本地或目的地址相關聯(lián)。在很多情況下，應用程序并不關心他們使用的本地地址，這時可以不調(diào)用此函數(shù)，而由協(xié)議軟件為他們選擇一個。如果要使用指定的端口，則創(chuàng)建了一個套接口之后，服務器必須調(diào)用bind()函數(shù)給套接口分配一個本地協(xié)議地址，捆綁端口。

函數(shù)原形：int

bind(int

sockfd,const

struct

sockaddr

*myaddr,socklen_t

addrlen)；

參數(shù)sockfd是綁定的套接字描述符，是由socket返回的；myaddr是與套接字綁定的一個本地地址結構，其長度可變，結構隨協(xié)議族的不同而不同；addrlen是myaddr的長度。

返回0表示函數(shù)調(diào)用成功，返回-1（SOCKET_ERROR）表示出錯。

bind()函數(shù):指定本地地址connect()函數(shù)：將套接字連接到目的地址

初始創(chuàng)建的套接字并未與任何外地目的地址關聯(lián)，客戶端調(diào)用connect()為套接字綁定一個永久的目的地址，將它置于已經(jīng)連接的狀態(tài)。對數(shù)據(jù)流方式的套接字，必須在傳輸數(shù)據(jù)前，調(diào)用connect()構造一個與目的地的TCP連接，并不能構造連接時返回一個差錯代碼。如果是數(shù)據(jù)報方式則不是必須在傳輸數(shù)據(jù)之前調(diào)用connect。

函數(shù)原形：

int

connect(int

s,const

struct

sockaddr

*servaddr,socklen_t

addrlen);

s是本地套接字描述符；servaddr是指向?qū)Ψ教捉幼值刂方Y構的指針，這里的套接口地址是服務器的套接口地址，包括服務器的IP地址和端口號，指明了要連接到的服務器；addrlen是對方套接字地址結構的長度。

返回0表示調(diào)用成功，返回-1表示出錯。

listen()函數(shù):設置等待連接狀態(tài)對于一個服務器的程序，當申請到套接字，并調(diào)用bind()與本地地址綁定后，就應該等待某個客戶機的請求連接。函數(shù)listen()就是把套接字置為這種狀態(tài)，它僅被服務器調(diào)用，它使服務器的套接口成為一個監(jiān)聽套接口。事實上當用socket()函數(shù)建立一個套接口時，它是一個主動套接口，也就是說它應該調(diào)用connect()函數(shù)向服務器發(fā)起連接的套接口，函數(shù)Listen（）將此套接口轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍犹捉涌冢顾邮芸蛻粝蛩l(fā)出的連接請求。

函數(shù)原形：

int

listen(int

sockfd,int

backlog);

參數(shù)sockfd是套接字描述符；backlog是指明等待連接的隊列的最大長度，可以取1-5。

返回0表示調(diào)用成功，返回-1表示出錯。

accept()函數(shù)：接收連接請求服務器進程使用系統(tǒng)調(diào)用socket，bind和listen創(chuàng)建一個套接字，將它綁定到知名的端口，并指定連接請求的隊列長度，進入監(jiān)聽狀態(tài)，當有連接請求到達時，服務器調(diào)用accept()接收連接請求，它返回一個新建立的連接。

函數(shù)原形：int

accept(int

sockfd,struct

sockaddr

*

cliaddr,socklen_t

*addrlen);

參數(shù)sockfd是套接字描述符；指針cliaddr用于返回請求連接的客戶方套接字地址；指針addrlen用于返回該地址結構的長度。

如果沒有發(fā)生錯誤，則返回新的套接字，否則返回INVALID_SOCKET。

值得注意的一點是，當accept()執(zhí)行成功，它的返回值是內(nèi)核自動生成的一個全新的描述字，它與客戶進行數(shù)據(jù)通信，我們稱之為會話套接口。accept()參數(shù)中的scokfd是監(jiān)聽套接口，accept()返回的套接口是一個已經(jīng)連接到某個客戶套接字的已連接套接口（會話套接口）。我們一定要區(qū)分這兩種套接口。一個服務器只生成一個監(jiān)聽套接口且一直存在，直到服務器關閉。內(nèi)核則是為每個被接受的客戶創(chuàng)建一個已連接套接口，服務器完成客戶的服務時，關閉與之通信的已連接套接口。3發(fā)送和接收數(shù)據(jù)當服務器端和客戶端建立連接以后，就可以在兩臺機器之間傳送數(shù)據(jù)，也即是用winsock

API函數(shù)在兩臺連接成功的機器之間進行通信。下面我們介紹幾個傳送數(shù)據(jù)的函數(shù)，無論是客戶端，還是服務器端都可以使用這些函數(shù)：

在數(shù)據(jù)流方式中，一個連接建立以后，或者在數(shù)據(jù)報方式下，調(diào)用了connect()進行了套接字與目的地址的綁定后，就可以調(diào)用send()和recv()進行數(shù)據(jù)傳輸。send()：使用連接好的

Socket

發(fā)送數(shù)據(jù)

格式：

int

send(

SOCKET

s,

const

char

FAR

*buf,

int

len,

int

flags

);

參數(shù)

s是Socket

的識別碼；buf指向發(fā)送緩沖區(qū)的首址；len是緩沖區(qū)的長度；

flags指定傳輸控制的方式，一般設為0。

傳回值：

成功

-

送出的數(shù)據(jù)的長度

失敗

-

SOCKET_ERROR

(呼叫

WSAGetLastError()

可得知原因)

此函數(shù)適用于連接的

Datagram

或

Stream

Socket

來傳送資料。

對

Datagram

Socket

而言，是

datagram

的大小超過限制，則將不會送出任何資料，并會傳回錯誤值。

recv()：自

Socket

接收數(shù)據(jù)

格式：

int

recv(

SOCKET

s,

char

FAR

*buf,

int

len,

int

flags

)；

參數(shù)s是Socket

的識別碼；指針buf指向接收緩沖區(qū)的首址；len是buf

的長度

；flags指定傳輸控制的方式，一般設為0。

傳回值：

成功

-

接收到的數(shù)據(jù)長度

(若對方

Socket

已關閉，則為

0)

失敗

-

SOCKET_ERROR

(呼叫

WSAGetLastError()

可得知原因)

此函數(shù)適用于連接式的

Datagram

Socket

或

Stream

Socket。對

Stream

Socket而言，我們可以接收到目前有效的

數(shù)據(jù)，但其數(shù)量不超過

len

的大小。對

Datagram

Socket

言，只取出第一個

datagram；若是該

datagram

大于使用者提供的儲存空間，那么只有該空間大小的資料被取出，多余的資料將丟失，且回復錯誤信息。

如果我們以數(shù)據(jù)報的方式通信，由于事先不用建立連接，所以可以跳過connect()而直接用recvfrom()和sendto()兩個函數(shù)進行通信：

recvfrom()：讀取一個

Datagram，并儲存數(shù)據(jù)來源的地址。

格式：

int

recvfrom(

SOCKET

s，char

FAR

*buf，int

len，int

flags，

struct

socketaddr

FAR

*from，int

FAR*fromlen

);

參數(shù)s，buf，len，flags與send()中的相同；指針from返回數(shù)據(jù)發(fā)送者的地址；fromlen是from

的大小。

傳回值：

成功

-

接收到的數(shù)據(jù)長度

(若對方

Socket

已關閉，則為

0)；失敗

-

SOCKET_ERROR

(呼叫

WSAGetLastError()

可得知原因)。對

Stream

Socket而言，其作用與

recv()

相同，參數(shù)

from

及

fromlen

將不被用到。sendto()：將數(shù)據(jù)送到指定的目的地。

格式：

int

sendto(

SOCKET

s，const

char

FAR

*buf，int

len，int

flags，const

struct

sockaddr

FAR

*to，int

tolen

);

參數(shù)s，buf，len，flags與send()中的相同；指針to指向數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址；tolen是to的大小。

傳回值：

成功

-

送出的資料長度

失敗

-

SOCKET_ERROR

(呼叫

WSAGetLastError()

可得知原因)

。

此函數(shù)適用于

Datagram

或

Stream

Socket

來傳送數(shù)據(jù)到指定的位址。對Datagram

Socket

言，若是

d