第十三章 TCP/IP和网络

13.2 TCP协议

• TCP/IP（Comer1988，2001；RFC11801991）是互联网的基础。TCP代表传输控制协议。IP代表互联网协议。目前有两个版本的IP，即IPv4和IPv6。IPv4使用32位地址，IPV6则使用128位地址。
  本节围绕IPv4进行讨论，它仍然是目前使用最多的IP版本。TCP/IP的组织结构分为几个层级，通常称为TCP/IP堆栈。图13.1所示为TCP/IP的各个层级以及每一层级的代表性组件及其功能。
  
  顶层是使用TCPIP的应用程序。用于登录到远程主机的ssh、用于交换电子邮件的mail、用于Web页面的htp等应用程序需要可靠的数据传输。通常，这类应用程序在传输层使用TCP。另一方面，有些应用程序，例如用于查询其他主机的ping命令，则不需要可靠性。这类应用程序可以在传输层使用UDP来提高效率（RFC7681980；Comer1988）。传输层负责以包的形式向IP主机发送/接收来自IP主机的应用程序数据。进程与主机之间的传输层或其上方的数据传输只是逻辑传输。实际数据传输发生在互联网（IP）和链路层，这些层将数据包分成数据，以便在物理网络之间传输。图13.2所示为TCP/IP网络中的数据流路径。
  

13.3 IP主机和IP地址

• 主机是支持TCP/IP协议的计算机设备。每个主机由一个32位的IP地址来标识。

• IP地址分为两部分，即 NetworkID 字段和HostID字段。根据划分，IP 地址分为A~E 类。例如，一个B类IP地址被划分为一个16位NetworkID，其中前2位是10，然后是一个16位的 HostID字段。发往IP地址的数据包首先被发送到具有相同 networkID的路由器。路由器将通过 HostID 将数据包转发到网络中的特定主机。每个主机都有一个本地主机名localhost，默认 IP地址为 127.0.0.1。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。这个特性可以让我们在同一台计算机上运行TCP/IP 应用程序，而不需要实际连接到互联网。

13.4 IP协议

• IP协议用于在 IP主机之间发送/接收数据包。IP尽最大努力运行。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。下图所示是IP头格式：
  

13.7/8 UDP/TCP

• UDP（用户数据报协议在IP上运行，用于发送/接收数据报。与IP类似，UDP不能保证可靠性，但是快速高效。它可用于可靠性不重要的情况。

• TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议，用于发送/接收数据流。TCP也可在IP 上运行，但它保证了可靠的数据传输。通常，UDP类似于发送邮件的USPS，而TCP类似于电话连接。

13.9 端口编号

• 应用程序 =（主机 IP，协议，端口号）
  其中，协议是TCP或 UDP，端口号是分配给应用程序的唯一无符号短整数。要想使用UDP或 TCP，应用程序（进程）必须先选择或获取一个端口号。前1024个端口号已被预留。其他端口号可供一般使用。应用程序可以选择一个可用端口号，也可以让操作系统内核分配端口号。

13.13 套接字编程

• 套接字地址

struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; // AF_INET for TCP/IP
// port number
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;// IP address );
// internet address struct in_addr {
// IP address in network byte order
s_addr;
uint32_t
)；

• 套接字API
• 服务器必须创建一个套接字，并将其与包含服务器IP 地址和端口号的套接字地址绑定。它可以使用一个固定端口号，或者让操作系统内核选择一个端口号（如果 sin port为0）。
  为了与服务器通信，客户机必须创建一个套接字。对于UPD套接字，可以将套接字绑定到服务器地址。如果套接字没有绑定到任何特定的服务器，那么它必须在后续的 sendto（）/recvfrom（）调用中提供一个包含服务器IP 和端口号的套接字地址。

Socket编程实践

• 代码：
  client端

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>  /* netdb is necessary for struct hostent */
#include <time.h>

#define PORT 4321   /* server port */

#define MAXDATASIZE 100

int main(int argc, char *argv[])
{
    time_t t1,t2;
    int sockfd, num;    /* files descriptors */
    char buf[MAXDATASIZE],mes[MAXDATASIZE];    /* buf will store received text */
    struct hostent *he;    /* structure that will get information about remote host */
    struct sockaddr_in server;

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <IP Address>\n",argv[0]);
        exit(1);
    }

    if((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL)
    {
        printf("gethostbyname() error\n");
        exit(1);
    }

    if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0))==-1)
    {
        printf("socket() error\n");
        exit(1);
    }
    bzero(&server,sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(PORT);
    server.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);
    if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server))==-1)
    {
        printf("connect() error\n");
        exit(1);
    }
    char str[100];
    time(&t1);
    printf("your PW:");
    
    scanf("%s",str);
    time(&t2);
    if(t2-t1>5)
      {
	printf("overtime\n");
	close(sockfd);
	return 0;
	   }
   
   
	
    if((num=send(sockfd,str,sizeof(str),0))==-1){
        printf("send() error\n");
        exit(1);
    }
    if((num=recv(sockfd,buf,MAXDATASIZE,0))==-1)
    {
        printf("recv() error\n");
        exit(1);
    }
    buf[num-1]='\0';
    if(buf[0]=='0')
      {
    printf("error\n");
    
    close(sockfd);
    return 0;
      }
    while(1){
    printf("hello,what do you want sent?\n");
    
    scanf("%s",mes);
    send(sockfd,mes,sizeof(mes),0);
    recv(sockfd,mes,MAXDATASIZE,0);
    printf("%s",mes);
    }
    
    return 0;
}

server端：

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>//inet_addr() sockaddr_in
#include <string.h>//bzero()
#include <sys/socket.h>//socket
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>//exit()

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {

    char listen_addr_str[] = "0.0.0.0";
    size_t listen_addr = inet_addr(listen_addr_str);
    int port = 8080;
    int server_socket, client_socket;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t addr_size;
    char buffer[BUFFER_SIZE];//缓冲区大小
    int str_length;
    server_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);//创建套接字
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));//初始化
    server_addr.sin_family = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(port);
    server_addr.sin_addr.s_addr = listen_addr;
    if (bind(server_socket, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        printf("绑定失败\n");

        exit(1);

    }

    if (listen(server_socket, 5) == -1) {

        printf("监听失败\n");

        exit(1);

    }

    printf("创建tcp服务器成功\n");

 

 

    fd_set reads,copy_reads;

    int fd_max,fd_num;

    struct timeval timeout;

 

    FD_ZERO(&reads);

    FD_SET(server_socket,&reads);

    fd_max=server_socket;

 

 

    while (1) {

        copy_reads = reads;

        timeout.tv_sec = 5;

        timeout.tv_usec = 5000;

 

       

        if((fd_num = select(fd_max+1, &copy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1) {

            perror("select error");

            break;

        }

        if (fd_num==0){//没有变动的socket

            continue;

        }

 

        for(int i=0;i<fd_max+1;i++){

            if(FD_ISSET(i,&copy_reads)){

                if (i==server_socket){//server_socket变动,代表有新客户端连接

                    addr_size = sizeof(client_addr);

                    client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *) &client_addr, &addr_size);

                    printf("%d 连接成功\n", client_socket);

                    char msg[] = "恭喜你连接成功";

                    write(client_socket, msg, sizeof(msg));

                    FD_SET(client_socket,&reads);

                    if(fd_max < client_socket){

                        fd_max=client_socket;

                    }

                }else{

                    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));

                    str_length = read(i, buffer, BUFFER_SIZE);

                    if (str_length == 0)   

                    {

                        close(i);

                        printf("连接已经关闭: %d \n", i);

                        FD_CLR(i, &reads);//从reads中删除相关信息

                    } else {

                        printf("%d 客户端发送数据:%s \n", i, buffer);

                        write(i, buffer, str_length);//将数据发送回客户端

                    }

                }

            }

        }

 

    }

 

    return 0;

}

• 实践结果：
  实现两端数据交互