第13章 TCP/IP和网络编程

TCP/IP协议

TCP/IP协议是利用 IP 进行通信时所必须用到的协议群的统称。具体来说，IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都属于 TCP/IP 协议。他们与 TCP 或 IP 的关系紧密，是互联网必不可少的组成部分。TCP/IP 一词泛指这些协议，因此，有时也称 TCP/IP 为网际协议群。
互联网进行通信时，需要相应的网络协议，TCP/IP 原本就是为使用互联网而开发制定的协议族。因此，互联网的协议就是 TCP/IP，TCP/IP 就是互联网的协议。

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。为了方便起见32位的IP地址号通常用点记法表示，例如:134.121.64.1，其中各个字节用点号分开。主机也可以用主机名来表示，如dnsleecwsuedu。实际上，应用程序通常使用主机名而不是IP地址。在这个意义上说，主机名就等同于IP地址，因为给定其中一个，我们可以通过DNS(域名系统)(RFC1341987RFC10351987)服务器找到另一个，它将IP地址转换为主机名，反之亦然。
IP地址分为两部分，即NetworkID字段和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127001。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。

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。

IP数据包格式

IP数据包由IP头、发送方IP地址、接收方IP地址以及数据组成。每个IP数据包大小不超过64KB，IP头包含了有关数据包的信息，如数据包的总长度、使用协议等，一个IP包头的格式基本如下：

• UDP
  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。
• TCP
  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。
• 端口编号
  在各主机上，多个应用程序可同时使用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）
  下图给出了在传输层中使用TCP的一些应用程序及其默认端口号
  

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。在互联网上，数据始终按照网络序排序，这是大端。

TCP/IP网络中的数据流

TCP/IP网络中各层数据格式及数据流路径如下：

• 网络编程
  大多数的网络编程任务都是基于服务器-客户端的模型的。在这个模型中，客户端首先从服务器主机上运行服务进程。然后在客户端主机上运行客户端。
• 服务器-客户端模型：
  在UDP中，服务器等待来自客户端的数据报，处理数据报并生成对客户机的响应。在TCP中，服务器先建立一个于=与客户端的虚拟电路（虚电路），再在服务器和客户端进行数据报传输。
• 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统称为套接字API。为了使用套接字API,我们需要套接字地址结构，它用于标识服务器和客户机。netdb.h和sys/socket.h中有套接字地址结构的定义。
• 套接字地址

struct socketddr_in {
sa_family_t sin_family;  //TCP/IP中的sin_family始终是AF_INET
in_port_t sin_port;	     //按网络字节顺序排列的端口号
struct in_addr sin_addr; //按网络字节顺序排列的主机IP地址
};
struct in_addr {
uint32_t s_addr;	     //按网络字节顺序排列的主机IP地址
}

• 套接字API
  服务器需要创建一个套接字，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（指服务器套接字）可以使用一个固定端口号，或是操作系统内核所选择的端口号（当sin_port为0时）。为了与服务器通信，客户端也需要一个套接字。UDP套接字可以直接绑定到服务器地址，如果一个客户端套接字没有绑定到任何特定服务器，它就必须在后续的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系统调用
  1.int套接字
  格式：int (int 域，int 类型，int 协议)
  2.int bind()
  格式:int bind(int sockfd , struct sockaddr *addr , socklen_t addrlen);
  3.UDP套接字
  格式：

ssize_t sendto(int sockfd , const void *buf , size_t len , int flags ,const
struct sockaddr *dest_addr , socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd , void *buf , size_t len , itn flags , 
struct sockaddr *src_addr , socklen_t *addr);

4.TCP套接字
在创建套接字并将其绑定到服务器地址之后，TCP服务器使用listen()和acccpt()来接 收来自客户机的连接
int Iistcn(int sockfd, int backlog);
listen()将sockfd引用的套接字标记为将用于接收连入连接的套接字。backlog参数定义了等 待连接的最大队列长度。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, sockien_t *addrlen);
accept()系统调用与基于连接的套接字一起使用。它提取等待连接队列上的第一个连接请求 用于监听套接字sockfd,创建一个新的连接套接字，并返回一个引用该套接字的新文件描 述符，与客户机主机连接。在执行accept()系统调用时，TCP服务器阻塞，直到客户机通过 coimectO建立连接。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen t addrlen)；
connect()系统调用将文件描述符sockfd引用的套接字连接到addr指定的地址，addrlen参数 指定addr的大小。addr中的地址格式由套接字sockfd的地址空间决定。
5.send（）/read（）以及recv/write（）

实践

• 服务器.c

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include "aes_options.h" //add

int main()
{
	int server_fd;
	int client_fd;
	int len;
	struct sockaddr_in server_addr;
	struct sockaddr_in client_addr;
	int sin_size;
	char buffer[BUFSIZ];
	// printf("%d",BUFSIZ);
	memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // initialize struct
	memset(&server_addr, 0, sizeof(client_addr));

	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	server_addr.sin_port = htons(9000);

	if ((server_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) // create server socket
	{
		perror("socket create failed");
		return 1;
	}

	if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0) // bind info on server socket
	{
		perror("bind failed");
		return 1;
	}

	listen(server_fd, 5); // listen port 9000

	sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);

	if ((client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size)) < 0)
	{
		perror("accept failed");
		return 1;
	}

	printf("accept client %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
	len = send(client_fd, "Welcome to my server\n", 21, 0);

	while ((len = recv(client_fd, buffer, BUFSIZ, 0)) > 0)
	{

		char *decryto_string = NULL;		   // add
		decrypt(buffer, &decryto_string, len); // add
		printf("%s \n", decryto_string);
		if (send(client_fd, decryto_string, len, 0) < 0) // modified
		{
			perror("send failed");
			return 1;
		}
	}

	close(client_fd);
	close(server_fd);

	return 0;
}

客户端.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include "aes_options.h"           //add

int main()
{
    int len;
    int client_sockfd;  
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFSIZ];
    char *encrypt_string = NULL;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));

    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    server_addr.sin_port = htons(9000);

    if((client_sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        perror("socket create failed");
        return 1;

    }
    int username;
    int password;
    printf("enter the username:");
    scanf("%d", &username);
    printf("enter the password:");
    scanf("%d", &password);
    if (username !=2020 || password != 1212)
    {
        printf("uncorrect name!\n");
        return 1;
    }
    
    

    if(connect(client_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0)
    {
        perror("connect failed");
        return 1;
    }

    printf("connect to server\n");
    len = recv(client_sockfd, buffer, BUFSIZ, 0);

    buffer[len] = '\0';
    printf("%s", buffer);

    while(1)
    {
        printf("enter a data:");
        scanf("%s", buffer);
        if(!strcmp(buffer,"quit"))
            break;
        int encrypt_length = encrypt(buffer, &encrypt_string);     //add
        len = send(client_sockfd, encrypt_string, encrypt_length, 0); //add
        len = recv(client_sockfd, buffer, BUFSIZ, 0);
        buffer[len] = '\0';
        printf("recived:%s \n", buffer);
    }

    close(client_sockfd);
    printf("bye");


    return 0;
}

/*char username;
    int password;
    printf("enter the username:");
    scanf("%s", &username);
    printf("enter the password:");
    scanf("%d", &password);
    if (username != "ycy" || password != 20201212)
    {
        printf("uncorrect name!\n");
        return 1;
    }
    */

实验中遇到的问题

苏格拉底挑战