第13章 TCP/IP和网络编程
13.1 TCP/IP协议
TCP/IP是互联网的基础，TCP代表传输控制协议，IP代表互联网协议。目前有IPv4（32位地址）和IPv6（128位地址），目前IPv4使用最多 。TCP/IP的四层结构如下：
| 层级 | 功能 | 组件 |
|---|---|---|
| 应用层 | 向用户提供应用程序，如电子邮件、文件传输访问、远程登录等 | ssh ping |
| 传输层 | 提供应用程序间的通信，格式化信息流，提供可靠传输 | TCP UDP |
| 网络层 | 进行网络连接的建立和终止及IP地址的寻找最佳途径等 | IP |
| 网络接口层 | 传输数据的物理媒介 | Ethernet |
TCP/IP网络中的数据流路径如下图：
1.IP主机和IP地址
主机是支持TCP/IP协议的计算机或设备，每个主机由一个32位的IP地址*来标识。主机也可以用主机名**来表示，应用程序通常使用主机名而不是IP地址。
IP地址分为两部分，NetworkID字段和HostID字段。IP地址分为A~E类，分类规则如下图：
本地主机的链路层是一个回送虚拟设备，它将每个数据包路由回同一个localhost，这样就可以在同一台计算机上运行TCP/IP应用程序，而不需要实际链接到互联网。
2.IP协议
用于在IP主机之间发送/接受数据包。IP主机只向接收主机发送数据包，但它不能保证数据包会被发送到它们的目的地，也不能保证按顺序发送。这意味着IP并非可靠的协议，必要时，必须在IP层的上面实现可靠性。
3.IP数据包格式
IP数据包由IP头、发送方IP地址和接收方IP地址以及数据组成。每个IP数据包的大小最大为64KB，IP头包含有关数据包的更多信息。
4.路由器
IP主机之间可能相距很远，通常不可能从一个主机直接向另一个主机发送数据包，路由器是接受和转发数据包的特殊IP主机。如果有的话，一个IP数据包可能回应过许多路由器，或者跳跃到达某个目的地。
每个IP包在IP报头都有一个8位的生存时间（TTL）计数，最大值为255，每个路由器上，TTL会减小1，如果减到0还没有到达目的地，则会直接丢弃，可以防止数据包在IP网络中无限循环。
4.UDP和TCP
- UDP（用户数据报协议）：在IP上运行，用于发送/接受数据报，不能保证可靠性，但快速高效。
用户可使用ping命令探测目标主机。 - TCP（传输控制协议）：是一种面向连接的协议，用于发送/接受数据流，也可在IP上运行，它能保证可靠的数据传输。
5.端口编号
多个应用程序（进程）可同时使用TCP/UDP，每个应用程序由三个组成部分唯一标识：应用程序=（主机IP，协议，端口号）
- 25端口：简单邮件传输服务器（SMTP）
- 80端口：万维网服务器（HTTP）
- 20、21端口：文件传输服务器（控制连接）（FTP）
6.网络和主机字节序
计算机可以使用大端字节序，也可以使用小端字节序。大端机器上，据始终按网络序排列；小端机器上，可在主机序和网络序之间转换数据。
7.TCP/IP网络中的数据流
13.2 网络编程
1.网络编程平台
（1）服务器上的用户账户
（2）单独PC或笔记本电脑
2.服务器-客户机计算模型
在服务器-客户机计算模型中，我们首先在服务器主机上运行服务器进程，然后从客户机主机运行客户机，在UDP中，服务器等待来自客户机的数据报，处理数据包并生成对客户及的响应。在TCP中，服务器等待客户机连接，客户机首先连接到服务器，在客户机和服务器之间建立一个虚拟电路，建立连接后，服务器和客户机可以交换连续的数据流。
3.套接字编程
在网络编程中，TCP/IP的用户界面是通过一系列C语言库函数和系统调用来实现的，这些函数和系统调用被称为套接字API。
（1）套接字地址
（2）套接字API
- int套接字
- int bind(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen)
- UDP套接字
- TCP套接字
- send()/read()以及recv()/write()
4.UDP回显服务器—客户机程序
服务器：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#define BUFLEN 256 // max length of buffer
#define PORT 1234 // fixed server port number
char line[BUFLEN];
struct sockaddr_in me, client;
int sock, rlen, clen = sizeof(client);
int main()
{
printf("1. create a UDP socket\n");
sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
printf ("2. fill me with server address and port nximber\n"); memset((char *)&me, 0, sizeof(me));
me.sin_family = AF_INET;
me.sin_port = htons(PORT);
me.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // use localhost
printf("3. bind socket to server IP and port\n");
bind(sock, (struct sockaddr*)&me, sizeof(me));
printf("4. wait for datagram\n");
while(1)
{
memset(line, 0, BUFLEN);
printf("UDP server: waiting for datagram\n");
// recvfrom() gets client IP, port in sockaddr_in clinet
rlen=recvfrom(sock,line,BUFLEN,0,(struct sockaddr *)&client,&clen);
printf("received a datagram from [host：port] = [%s:%d]\n", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));
printf("rlen=%d： line=%s\n", rlen, line);
printf("send reply\n");
sendto(sock, line, rlen, 0, (struct sockaddr*)&client, clen);
}
}
客户机：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#define SERVER_HOST "81.70.18.119" //
#define SERVER_PORT 1234
#define BUFLEN 256
char line[BUFLEN];
struct sockaddr_in server;
int sock, rlen, slen=sizeof(server);
int main()
{
printf("1. create a UDP socket\n");
sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
printf("2. fill in server address and port number\n");
memset((char *) &server, 0, sizeof(server));
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(SERVER_PORT);
inet_aton(SERVER_HOST, &server.sin_addr);
while(1)
{
printf("Enter a line :");
fgets(line, BUFLEN, stdin);
line[strlen(line)-1] = 0;
printf("send line to server\n");
sendto(sock,line,strlen(line),0,(struct sockaddr *)&server,slen);
memset(line, 0, BUFLEN);
printf("try to receive a line from server\n");
rlen-recvfrom(sock,line,BUFLEN,0,(struct sockaddr*)&server,&slen);
printf("rlen=%d: line=%s\n", rlen, line);
}
}
5.TCP回显服务器-客户机程序
服务器：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#define MAX 256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_PORT 1234
struct sockaddr_in server_addr;
int sock,r;
int client_init()
{
printf("======= clinet init ==========\n");
printf ("1 : create a TCP socket\n");
sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock<0)
{
printf("socket call failed\n"); exit(1);
}
printf("2 : fill server_addr with server's IP and P0RT#\n");
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // localhost
server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // server port number
printf("3 : connecting to server ....\n");
r = connect (sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof (server_addr));
if (r < 0)
{
printf("connect failed\n"); exit(3);
}
printf("4 : connected OK to\n");
printf ("-------------------------------------------------\n");
printf("Server hostname=%s PORT=%d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT);
printf ("-------------------------------------------------\n");
printf("========= init done ==========\n");
}
int main()
{
int n;
char line[MAX], ans[MAX];
client_init();
printf("***processing loop *********\n");
while (1)
{
printf("input a line :");
bzero(line, MAX);
fgets(line, MAX, stdin);
line[strlen(line)-1] = 0;
if (line[0]==0)
exit(0);
n = write(sock,line,MAX);
printf("client:wrote n=%d bytes;line=%s\n", n, line);
n = read(sock,ans,MAX);
printf("client:read n=%d bytes;line=%s\n", n, ans);
}
}
客户机：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#define MAX 256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_IP "81.70.18.119"
#define SERVER_PORT 1234
struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
struct in_addr client_addr_tranform;
int mysock, csock;
int r, len, n;
int server_init ()
{
printf("================== server init ======================\n"); // create a TCP socket by socket() syscall
printf("1 : create a TCP STREAM socket\n");
mysock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (mysock < 0)
{
printf("socket call failed\n");
exit(1);
}
printf("2 : fill server_addr with host IP and PORT# info\n");
// initialize the server_addr structure
server_addr.sin_family = AF_INET; // for TCP/IP
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // This HOST IP
server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // port number 1234
printf("3 : bind socket to server address\n");
r = bind(mysock,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
if (r < 0)
{
printf("bind failed\n");
exit(3);
}
printf(" hostname = %s port = %d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT);
printf("4 : server is listening ....\n");
listen(mysock, 5); // queue length = 5
printf("=================== init done =======================\n");
}
int main()
{
char line[MAX];
server_init();
client_addr_tranform.s_addr = client_addr.sin_addr.s_addr;
while(1) // Try to accept a client request
{
printf("server： accepting new connection ....\n");
// Try to accept a client connection as descriptor newsock
len = sizeof(client_addr);
csock = accept(mysock, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
if (csock < 0)
{
printf("server： accept error\n"); exit(1);
}
printf("server： accepted a client connection from\n");
printf ("-----------------------------------------\n");
printf("Clinet: IP=%s port=%d\n", inet_ntoa(client_addr_tranform), ntohs(client_addr.sin_port));
printf ("-----------------------------------------\n");
while(1)
{
n = read(csock, line, MAX);
if (n==0)
{
printf("server: client died, server loops\n"); close(csock);
break;
}
printf("server： read n=%d bytes; line=%s\n", n, line); // echo line to client
n = write(csock, line, MAX);
printf("server:wrote n=%d bytes； ECHO=%s\n", n, line);
printf("server:ready for next request\n");
}
}
}
运行截图：
