学习笔记11

一、TCP/IP协议

什么是TCP/IP协议?

计算机与网络设备之间如果要相互通信,双方就必须基于相同的方法.比如如何探测到通信目标.由哪一边先发起通信,使用哪种语言进行通信,怎样结束通信等规则都需要事先确定.不同的硬件,操作系统之间的通信,所有这一切都需要一种规则.而我们就将这种规则称为协议 (protocol).也就是说，TCP/IP 是互联网相关各类协议族的总称。

TCP/IP 的分层管理

TCP/IP协议里最重要的一点就是分层。TCP/IP协议族按层次分别为 应用层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。当然也有按不同的模型分为4层或者7层的。

• 分层的好处

把 TCP/IP 协议分层之后，如果后期某个地方设计修改，那么就无需全部替换，只需要将变动的层替换。而且从设计上来说，也变得简单了。处于应用层上的应用可以只考虑分派给自己的任务，而不需要弄清对方在地球上哪个地方，怎样传输，如果确保到达率等问题。

五层介绍

• 物理层

该层负责 比特流在节点之间的传输，即负责物理传输，这一层的协议既与链路有关，也与传输的介质有关。通俗来说就是把计算机连接起来的物理手段。

• 数据链路层

控制网络层与物理层之间的通信，主要功能是保证物理线路上进行可靠的数据传递。为了保证传输，从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据结构的结构包，他不仅包含原始数据，还包含发送方和接收方的物理地址以及纠错和控制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。如果在传达数据时，接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧。

• 网络层

决定如何将数据从发送方路由到接收方。网络层通过综合考虑发送优先权，网络拥塞程度，服务质量以及可选路由的花费等来决定从网络中的A节点到B节点的最佳途径。即建立主机到主机的通信。

• 传输层

该层为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层有两个传输协议：TCP(传输控制协议)和 UDP(用户数据报协议)。其中，TCP是一个可靠的面向连接的协议，udp是不可靠的或者说无连接的协议

• 应用层

应用程序收到传输层的数据后，接下来就要进行解读。解读必须事先规定好格式，而应用层就是规定应用程序的数据格式。主要的协议有：HTTP.FTP,Telent等。

TCP的三次握手与四次挥手

具体过程如下：

第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，并将syn(标记位)设置为1，Squence Number(数据包序号)(seq)为x,接下来等待服务端确认，客户端进入SYN_SENT状态(请求连接)；

第二次握手：服务端收到客户端的 SYN 报文段，对 SYN 报文段进行确认，设置 ack(确认号)为 x+1(即seq+1 ; 同时自己还要发送 SYN 请求信息，将 SYN 设置为1, seq为 y。服务端将上述所有信息放到 SYN+ACK 报文段中，一并发送给客户端，此时服务器进入 SYN_RECV状态。

SYN_RECV是指,服务端被动打开后,接收到了客户端的SYN并且发送了ACK时的状态。再进一步接收到客户端的ACK就进入ESTABLISHED状态。

第三次握手：客户端收到服务端的 SYN+ACK(确认符) 报文段；然后将 ACK 设置为 y+1,向服务端发送ACK报文段，这个报文段发送完毕后，客户端和服务端都进入ESTABLISHED(连接成功)状态，完成TCP 的三次握手。

第一次挥手

客户端设置seq和 ACK ,向服务器发送一个 FIN(终结)报文段。此时，客户端进入 FIN_WAIT_1 状态，表示客户端没有数据要发送给服务端了。

第二次挥手

服务端收到了客户端发送的 FIN 报文段，向客户端回了一个 ACK 报文段。

第三次挥手

服务端向客户端发送FIN 报文段，请求关闭连接，同时服务端进入 LAST_ACK 状态。

第四次挥手

客户端收到服务端发送的 FIN 报文段后，向服务端发送 ACK 报文段,然后客户端进入 TIME_WAIT 状态。服务端收到客户端的 ACK 报文段以后，就关闭连接。此时，客户端等待 2MSL（指一个片段在网络中最大的存活时间）后依然没有收到回复，则说明服务端已经正常关闭，这样客户端就可以关闭连接了。

如果有大量的连接，每次在连接，关闭都要经历三次握手，四次挥手，这显然会造成性能低下。因此。Http 有一种叫做 长连接（keepalive connections） 的机制。它可以在传输数据后仍保持连接，当客户端需要再次获取数据时，直接使用刚刚空闲下来的连接而无需再次握手。

网络套接字编程

网络层的IP可以惟一标识网络中的主机，而传输层的协议、端口这两个东西可以表示主机中的进程（也就是网络应用程序）。

因此，通过IP、协议、端口号，可以标识网络的进程。

（1）服务器根据地址的类型（属于ipv4还是ipv6等）、socket类型（比如TCP、UDP）去创建socket，创建出的套接字socket本质上也是个文件描述符。

（2）服务器绑定IP地址和端口号到套接字socket

（3）服务器socket监听端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接，但这个时候服务器的socket并没有被打开。

（4）根据地址的类型（属于ipv4还是ipv6等）、socket类型（比如TCP、UDP）去创建socket，创建出的套接字socket本质上也是个文件描述符。

（5）客户端根据服务器的ip地址和端口号，试图连接服务器

（6）服务器socket接收到客户端的socket请求，被动打开，开始接收客户端的请求，并等待客户端返回连接信息。这个阶段，服务器的accept方法是阻塞的，即等到刚才试图连接的客户端返回连接信息，accept方法才能返回，才能继续接收下一个最新的客户端连接请求。

（7）客户端连接成功，向服务器发送连接状态信息

（8）服务器accept方法返回，连接成功

（9）客户端发送消息

（10）服务端接收消息

（11）客户端关闭

（12）服务端关闭

主机字节序

就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：

a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序：

4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。

由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

TCP服务端实例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>		  /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <netdb.h>  
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
 
extern int errno;
 
int main()
{
	int domain = AF_INET;
	int type = SOCK_STREAM;
	int protocol = 0;
	int ret  = -1;
	int nListenFd = -1;
	int nNewClientFd = -1;
	short int  port = 2000; 
	struct sockaddr_in addr_in;
	int backlog = 128; // 默认是128
	int len = 0;
	char chBuffer[1024] = {0};
	int flags = 0;
	
	nListenFd = socket( domain,  type,  protocol);
	if(nListenFd < 0)
	{
		printf("\n socket failed ! errno[%d]  err[%s]\n", errno, strerror(errno));
		return -1;
	}
 
	memset(&addr_in, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
	addr_in.sin_family = AF_INET;
	addr_in.sin_port = htons(port);//htons的返回值是16位的网络字节序整型数   htons尾的字母s代表short
	addr_in.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
 
	ret = bind(nListenFd, ( struct sockaddr * )(&addr_in), sizeof(struct sockaddr_in));
    if(ret < 0)
    {
    	printf("\n bind failed ! errno[%d]  err[%s]\n", errno, strerror(errno));
    	close(nListenFd); //避免资源泄漏
		return -1;
	}
 
    ret = listen(nListenFd, backlog);
    if(ret < 0)
    {
		printf("\n listen failed ! errno[%d]	err[%s]\n", errno, strerror(errno));
		close(nListenFd); //避免资源泄漏
		return -1;
	}
 
	nNewClientFd = accept(nListenFd, ( struct sockaddr *)NULL, NULL); //阻塞模式
	if(nNewClientFd < 0)
	{
		printf("\n accept failed ! errno[%d]	err[%s]\n", errno, strerror(errno));
		close(nListenFd); //避免资源泄漏
		return -1;
	}
	len = recv(nNewClientFd, chBuffer, sizeof(chBuffer) , flags);//flags为0，阻塞模式
	if(len < 0)
	{
		printf("\n recv failed ! errno[%d]	err[%s]\n", errno, strerror(errno));
		close(nListenFd); //避免资源泄漏
		close(nNewClientFd);
		return -1;
	}
 
	chBuffer[sizeof(chBuffer) - 1] = 0;
 
	printf("\n recv[%s]\n" , chBuffer);
 
	len = send(nNewClientFd, "Welcome", sizeof("Welcome"), flags);
	if(len < 0)
	{
		printf("\n send failed ! errno[%d]	err[%s]\n", errno, strerror(errno));
		close(nListenFd); //避免资源泄漏
		close(nNewClientFd);
		return -1;
	}
 
	close(nNewClientFd);
	close(nListenFd);
 
	return 0;
}

TCP客户端实例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>		  /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <netdb.h>  
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
 
extern int errno;
 
int main()
{
	int domain = AF_INET;//AF_INET
	int type = SOCK_STREAM;
	int protocol = 0;
	int ret  = -1;
	int nClientFd = -1;
	short int  port = 2000; 
	struct sockaddr_in addr_in;
	int len = 0;
	char chBuffer[1024] = {0};
	int flags = 0;
	char *pchServerIP = "192.168.1.211";
	
	nClientFd = socket( domain,  type,  protocol);
	if(nClientFd < 0)
	{
		printf("\n socket failed ! errno[%d]  err[%s]\n", errno, strerror(errno));
		return -1;
	}
 
    memset(&addr_in, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
	addr_in.sin_family = AF_INET;
	addr_in.sin_port = htons(port);//htons的返回值是16位的网络字节序整型数   htons尾的字母s代表short
	//addr_in.sin_addr.s_addr = htonl(inet_addr(pchServerIP));//htonl的返回值是16位的网络字节序整型数   htonl尾的字母l代表32位长整型
 
	addr_in.sin_addr.s_addr = inet_addr(pchServerIP); //htonl(inet_addr(pchServerIP));
	ret = connect(nClientFd, ( struct sockaddr * )(&addr_in), sizeof(struct sockaddr_in));
    if(ret < 0)
    {
    	printf("\n connect failed ! errno[%d]  err[%s]\n", errno, strerror(errno));
    	close(nClientFd); //避免资源泄漏
		return -1;
	}
 
	len = send(nClientFd, "14.3", sizeof("14.3"), flags);
	if(len < 0)
	{
		printf("\n send failed ! errno[%d]	err[%s]\n", errno, strerror(errno));
		close(nClientFd); //避免资源泄漏
		return -1;
	}
    len = recv(nClientFd, chBuffer, sizeof(chBuffer) , flags);//flags为0，阻塞模式
	if(len < 0)
	{
		printf("\n recv failed ! errno[%d]	err[%s]\n", errno, strerror(errno));
		close(nClientFd); //避免资源泄漏
		return -1;
	}
 
	chBuffer[sizeof(chBuffer) - 1] = 0;
 
	printf("\n recv[%s]\n" , chBuffer);
 
	
	close(nClientFd);
 
	return 0;
}

代码练习

https://gitee.com/zhang_yu_peng/practice-code/blob/master/随机数.c