2018-2019-1 20165201 《信息安全系统设计基础》第8周学习总结
学习内容总结
第11章 网络编程（刘念老师课上讲过）
TCP协议是面向连接的协议，它提供了一系列的数据纠错功能，可以保证数据在网络上传输及时、无误给接收方。因此面向连接协议的Socket编程模型应用最为广泛，基于连接协议的服务是设计客户端/服务器应用程序时的标准。编程模型如图所示
模型中，
服务器端的处理：
（1）使用socket系统调用，生成一个TCP协议模块与应用程序之间进行通信的套接字；使用bind系统调用指定端口号；
（2）使用bind系统调用指定端口号；
（3）使用listen系统调用，指定连接接收队列的长度，并等待来自客户端的连接请求。
前三步完成了启动服务器程序的工作。一旦listen监听到有客户端的连接，就调用accept接收连接。
希望与服务器通信的进程称为客户，客户所运行的计算机环境称为客户端，有时两个概念混用。
客户端的处理：
（1）使用socket系统调用，打开TCP协议模块与应用程序之间的通信线路；
（2）使用connect系统调用，指定IP地址和端口号，和服务器相应的服务应用程序建立TCP协议的连接请求；
客户端和服务器程序在建立连接后，使用send和recv调用完成数据的发送和接收工作。等待数据传送结束后，各自调用close关闭套接字。
使用TCP协议的Socket通信程序包括服务程序和客户程序。
基于C的Socket编程相关函数和数据类型
1.sockadd和sockaddr_in结构：
① sockaddr 结构
struct sockaddr
{
unsigned short sa_family; /*地址族，AF_xxx有IPV4与IPV6等*/
char sa_data[14]; /*14字节的协议地址*/
};
sa_family一般为AF_INET，表示Internet协议族，如是AF_UNIX表示UNIX协议簇；sa_data中包含该socket的IP地址和端口号。
② in_add结构，用来存储四字节的IP地址
struct in_addr{
unsigned long s_addr;
};
③ sockaddr_in结构
struct sockaddr_in
{
short int sin_family; /*地址族*/
unsigned short int sin_port; /*端口号*/
struct in_add sin_addr; /*IP地址*/
unsigned char sin_zero[8]; /*填充0以保持与struct sockaddr同样大小*/
}；
该结构中sin_zero使得sockaddr和sockaddr_in指针类型相互转换；sin_port和sin_addr必须是网络字节顺序，因为它们被封装在包的IP和UDP层，而sin_family不发送到网络上可以是本机字节顺序。
相关函数
1．socket()函数
该函数用于根据指定的地址族、数据类型和协议来分配一个套接字的描述字及其所用的资源。Socket函数原型为：
int socket( int domain , int type , int protocol ) ;
a、 参数domain指定地址描述，一般为AP_INET；
b、 参数type指定socket类型：SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM；
c、参数protocol通常为0；
d、 函数返回值为一个整型socket描述符，在bind函数中调用。
2．bind()函数
该函数用于将一个本地地址与一个套接字绑定在一起。
int bind( int sockfd , struct sockadd* my_addr , int addrlen) ;
a、sockfd：socket描述符，使用socket函数返回值，将该socket与本机上的一个端口相关联。
在设计服务器端程序是需要调用bind函数，以在该端口上监听服务请求；而客户端一般不需要调用bind函数，因为只需知道服务器IP地址，并不关心客户通过哪个端口与服务器建立连接，内核会自动选择一个未被占用的端口供客户端来使用。
b、my_addr：指向包含本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针。
c、addrlen：sizeof( struct sockaddr)的值。
d、bind函数返回值：为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码。
3．connect()函数
与远程服务器建立一个TCP连接。
int connect(int sockfd, struct sockaddr* serv_addr, int addrlen);
a、sockfd：目的服务器的socket描述符。
b、serv_addr：指向包含目的服务器的IP地址及端口号的指针。
c、addrlen：sizeof( struct sockaddr)的值。
d、connect函数返回值：为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，进行服务器端程序设计时不需调用connect函数。
4．listen()函数
在服务器端程序中，当socket与某一端口绑定后，需要监听该端口，及时处理到达该端口上的服务请求。
int listen(int sockfd, int backlog);
a、sockfd：Socket系统调用返回的socket描述符。
b、backlog：指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待接收backlog限制了队列中等待服务的请求数目，系统缺省值为20。
c、listen函数返回值：为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码。
5．accept()函数
当某个客户端试图与服务器监听的端口连接时，该连接请求将排队等待服务器用accept接收它并为其建立一个连接。
int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, int* addrlen);
a、sockfd：被监听的socket描述符。
b、addr：sockaddr类型的指针变量，用来存放提出连接请求服务的主机信息。
c、accept函数返回值：为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，如果没有错误，accept()函数返回一个新想socket描述符，供这个新连接来实用，而服务器可以继续在以前的socket上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据发送和数据接收（sent()和recv()操作）。
6．sent()和recv()函数
用于在面向连接（TCP）的socket上进行数据传输。
send（）函数原型：
int send(int sockfd, const void* msg, int len, int flags) ;
a、sockfd：用于传输数据的socket描述符。
b、msg：是一个指向要发送数据的指针。
c、len：以字节为单位的数据的长度。
d、flags：一般情况下置为0。
e、函数返回值：为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，否则返回所发送数据的总数，该数字可能小于len中所规定的大小。
recv（）函数原型：
int recv(int sockfd, void* buf, int len, unsigned int flags);
a、sockfd：是接收数据的socket描述符。
b、buf：是存放接收数据的缓冲区。
c、len：以字节为单位的缓冲区的长度。
d、flags：一般情况下置为0。
e、函数返回值：为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，无错则返回读入的字节数，如果连接被中止，返回0。
7．endto()和recvfrom()函数
这两个函数是利用数据报方式（UDP）进行数据传输。在无连接的数据报socket方式下，由于本地socket并没有与远程机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。
sendto()原型：
int sendto(int sockfd, const void* msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr* to, int tolen);
a、sockfd：用于传输数据的socket描述符。
b、msg：是一个指向要发送数据的指针。
c、len：以字节为单位的数据的长度。
d、flags：一般情况下置为0。
e、函数返回值：为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，否则返回所发送数据的总数，该数字可能小于len中所规定的大小。
f、表示目的机器的IP地址和端口号。
g、tolen：被赋值为sizeof(struct sockaddr)。
recvfrom函数原型：
int recv(int sockfd, void* buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr* from, int fromlen);
a、sockfd：是接收数据的socket描述符。
b、buf：是存放接收数据的缓冲区。
c、len：以字节为单位的缓冲区的长度。
d、flags：一般情况下置为0。
e、函数返回值：为-1表示遇到错误，并且errno中包含相应的错误码，无错则返回读入的字节数，如果连接被中止，返回0。
f、from：保存源机器的IP地址和端口号。
g、fromlen：常被赋值为sizeof(struct sockaddr)。
当对于数据报socket调用了connect()函数时，也可以用send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并利用传输层的UDP服务。但是在发送或接收数据报时，内核会自动为它加上目的地址和源地址信息。
8．close()和shutdown()函数
当所有的数据操作结束后，可以调用close函数来释放该socket资源，从而停止在该socket上的任何数据操作。
也可以调用shutdown函数，允许只停止在某个方向上的数据传输，而另一个方向上的数据传输继续进行。例如可以关闭某一个socket上的写操作uo允许继续在该socket上接收数据，直到读入所有数据。
但是，shutdown函数并不关闭套接字所占用的所有资源，除非调用close函数来释放。
看看两个函数原型：
close(int sockfd);
shutdown(int sockfd, int how);
how参数的值和含义：
0：不允许继续接收数据；
1：不允许继续发送数据；
2：不允许继续发送和接收数据。
shutdown在操作成功时返回0，错误时返回-1，并置errno值。
9．字节顺序转换函数
htons()：Host to Network Short的缩写，该函数将主机的无符合短整型数字节顺序转换成网络字节顺序。
htonl()：Host to Network Long的缩写，该函数将主机的无符合长整型数字节顺序转换成网络字节顺序。
ntohs()：Network to Host Short的缩写，该函数将无符号短整型数从网络字节顺序转换为主机字节顺序。
ntohl()：Network to Host long的缩写，该函数将无符号长整型数从网络字节顺序转换为主机字节顺序。
第12章 并发编程
并发：逻辑控制流在时间上重叠
应用级并发作用：
- 访问慢速I/O设备
- 与人交互
- 通过推迟工作以降低延迟
- 服务多个网络客户端
- 在多核机器上进行并行计算
并发程序：使用应用级并发的应用程序
构造并发程序的方法：
- 进程（程序级并发）
- 线程（函数级并发）
- I/O多路复用
基于进程的并发编程
在接受连接请求之后，服务器派生一个子进程，这个子进程获得服务器描述符表的完整拷贝。子进程关闭它的拷贝中的监听描述符3，而父进程关闭它的已连接描述符4的拷贝，因为不再需要这些描述符了。这就得到了图中的状态，其中子进程正忙于为客户端提供服务。
(照片尺寸问题，请全屏看图，后同）
因为父子进程中的已连接描述符都指向同一个文件表表项，所以父进程关闭它的已连接描述符的拷贝是至关重要的。否则，将永远不会释放已连接描述符4的文件表条目，而且由此引起的存储器泄漏将最终消耗尽可用的存储器，使系统崩溃。
现在假设在父进程为客户端1创建了子进程之后，它接受一个新的客户端2的连接请求，并返回一个新的已连接描述符（比如描述符5）如图所示。然后，父进程又派生另一个子进程，这个子进程用已连接描述符5为它的客户端提供服务，如图所示。此时，父进程正在等待下一个连接请求，而两个子进程正在形地为它们各自的客户端提供服务。
基于I/O多路复用的并发编程
并发事件驱动echo服务器中逻辑流的状态机：
基于线程的并发编程
线程：运行在进程上下文中的逻辑流
每个线程都有它自己的线程上下文
- 线程ID
- 栈
- 栈指针
- 程序计数器
- 通用目的寄存器
- 条件码
所有的运行在一个进程里的线程共享该进程的整个虚拟地址空间
由于多个线程运行在单一进程中，因此共享这个进程虚拟地址空间的整个内容，包括它的代码、数据、堆、共享库和打开的文件
多线程程序中的共享变量
全局变量和static变量是存储在数据段，所以多线程共享之！由于线程的栈是独立的，所有线程中的自动变量是独立的。即使多个线程运行同一段代码总的自动变量，那么他们的值也是根据线程的不同而不同。
- 线程内存模型
- 将变量映射到内存
1、全局变量
2、本地自动变量
3、本地静态变量 - 共享变量
学习进度条
| 代码行数（新增/累积） | 博客量（新增/累积） | 学习时间（新增/累积） | 重要成长 | |
|---|---|---|---|---|
| 目标 | 2000行 | 20篇 | 200小时 | |
| 第一周 | 83/83 | 1/1 | 8/8 | |
| 第六周 | 75/158 | 2/3 | 10/18 |