网络通信 - d14¶
一、基本概念¶
1.协议模型（OSI模型）¶
应用层 - 应用程序
表示层 - 数据的组织
会话层 - 数据的交换
传输层 - 数据的封包
网络层 - 网络的拓扑结构
数据链路层 - 数字信号的电子化
物理层 - 网络设备
2.TCP/IP协议族¶
- 1)TCP(Transmission Control Protocol)，传输控制协议
面向连接的协议。
逻辑上模拟为电话业务。
- 2)UDP(User Datagram Protocol)，用户数据报文协议
面向无连接的协议。
逻辑上模拟为邮政业务。
- 3)IP(Internet Protocol)，互联网协议
工作在TCP和UDP协议的底层。
实现在互联网上传递信息的基本机制。
ISO TCP/IP
应用层
表示层 应用层 telnet/ftp/http
会话层
------------------------
传输层 传输层 TCP/UDP
网络层 互联网层 IP
------------------------
数据链路层 网络接口层 硬件/驱动
物理层
3.消息流和协议栈¶
有协议模型的不同层次构成了一个自下而上的协议栈， 所发送数据的数据沿着协议栈自上而下层层打包， 最终变成可以在物理介质上传输的电子信号。 接收数据时再将物理介质上的电子信号，沿着协议栈自下向上， 层层解包，最终变成应用可以处理的数据内容。
4.IP地址¶
- 1)IP地址是Internet中唯一标识一台计算机的地址。
A.IPv4：32位，IPv6：128位
B.点分十进制字符串表示：0x01020304 -> 1.2.3.4
- 2)IP地址分级
A级：0XXXXXXX | XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX
网络地址 本机地址
B级：10XXXXXX XXXXXXXX | XXXXXXXX XXXXXXXX
网络地址 本机地址
C级：110XXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX | XXXXXXXX
网络地址 本机地址
172.40.0.10
D级：1110XXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX
多播地址
- 3)子网掩码
IP地址 & 子网掩码 = 网络地址
IP地址 & ~子网掩码 = 本机地址
IP地址：192.168.182.48
子网掩码：255.255.255.0
网络地址：192.168.182.0
本机地址：0.0.0.48
二、套接字(Socket)¶
1.接口¶
QQ \
LeapFTP > socket -> TCP/UDP -> IP -> 网络驱动 -> 网络硬件
IE /
2.异构¶
Java@UNIX@大型机<->socket<->C@Windows@PC机
3.模式¶
- 1)点对点(Peer-to-Peer，P2P)，一对一通信。
- 2)客户机/服务器(Client/Server，C/S)，一对多通信。
- 3)浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)，一个服务器为多个浏览器提供服务。
4.绑定¶
将逻辑的套接字对象与物理的通信载体关联起来。
5.函数¶
1)创建套接字
#include <sys/socket.h>
int socket (int domain, int type, int protocol);
- domain - 域
AF_UNIX/AF_LOCAL/AF_FILE，本地通信
AF_INET，基于IPv4的网络通信, 对于BSD是AF_INET,对于POSIX是PF_INET. 两者本质一样。
AF_INET6，基于IPv6的网络通信
AF_PACKET，基于IP的底层协议进行网络通信
- type - 类型
SOCKET_STREAM，流式套接字，基于TCP协议通信
SOCKET_DGRAM，数据报套接字，基于UDP协议通信
- protocal - 特殊协议，目前置0即可
成功返回套接字描述符，失败返回-1。
套接字描述符类似于文件描述符，UNIX把网络当成文件看待。
发送数据即写文件，接收数据即读文件，一切皆文件。
- 2)通信地址
A.基本地址结构
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family; // 地址族
char sa_data[14]; // 地址值
};
B.网络地址结构
#include <netinet/in.h>
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; /* 地址族，AF_INET/AF_INET6 */
in_port_t sin_port; /* unsigned short，网络字节序的端口号
逻辑上表示一个参与通信的进程，
0-1024，公知端口，WWW-80
FTP-21，TELNET-23，...
自己编写的应用程序使用1024以上的端口号 */
struct in_addr sin_addr; /* 网络字节序的IP地址 */
};
小低低：小端字节序，低位低地址
int i = 0x12345678;
小端机器：低地址-------->高地址
78 56 34 12 -> 0x78563412
大端机器：低地址-------->高地址
12 34 56 78
主机字节序->网络字节序->发送
接收->网络字节序->主机字节序
网络字节序就是大端字节序
欲从小端机器发送0x12345678：L 78 56 34 12 H
现将其转换为网络字节序：L 12 34 56 78 H
发送到大端机器上：L 12 34 56 78 H
从网络字节序转到大端字节序：L 12 34 56 78 H -> 0x12345678
struct in_addr {
in_addr_t s_addr;
};
typedef uint32_t in_addr_t;
typedef unsigned int uint32_t;
- 3)将套接字和通信地址绑定
int bind (int sockfd, const string sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
// 成功返回0，失败返回-1。
- 4)将套接字和对方通信地址连接
int connect (int sockfd, const string sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
// 成功返回0，失败返回-1。
- 5)用读写文件的方式通信：read/write
- 6)关闭套接字：close
- 7)字节序转换
#include <arpa/inet.h>
// 主机字节序->网络字节序
uint32_t htonl (uint32_t hostlong);
uint16_t htons (uint16_t hostshort);
// 网络字节序->主机字节序
uint32_t ntohl (uint32_t netlong);
uint16_t ntohs (uint16_t netshort);
- 8)IP地址转换
//点分十进制字符串->网络字节序整数形式的IP地址
in_addr_t inet_addr (const char* cp);
//网络字节序整数形式的IP地址->点分十进制字符串
char* inet_ntoa (struct in_addr in);
6.编程¶
服务器：创建套接字 -> 准备地址结构并绑定 -> 接收数据 -> 关闭套接字
客户机：创建套接字 -> 准备地址结构并连接 -> 发送数据 -> 关闭套接字
三、基于TCP协议的客户机/服务器模型¶
1.TCP协议的基本特征¶
- 1)面向连接：虚拟电路，建立可靠的连接，稳定地传输数据，人为断开连接。
- 2)传输可靠：发送数据、等待确认、丢包重传。
ABCDEF
A-> -+
B-> |
C-> | 时间窗口
D-> |
E-> <-A OK -+
F-> <-B OK
<-C OK
<-D OK
<-E OK
<-F OK
每个发送都有应答，若在一定的时间窗口内没有收到应答，
重新再发。
- 3)保证顺序：有序发送，有序接收，丢弃重复。
- 4)流量控制：接收端实时通知发送端接收窗口大小，防止溢出。
- 5)传输速度慢。
2.编程模型¶
服务器 客户机
=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
创建套接字 socket 创建套接字 socket
准备地址 sockaddr_in 准备地址 sockaddr_in
绑定地址 bind
监听套接字 listen
接受连接 accept 建立连接 connect
接收数据 read/recv 发送数据 write/send
发送数据 write/send 接收数据 read/recv
关闭套接字 close 关闭套接字 close
3.常用函数¶
#include <sys/socket.h>
int listen (
int sockfd, // 套接字描述符
int backlog // 未决连接请求队列的最大长度，1024
);
//成功返回0，失败返回-1。
int accept (int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
/* 从sockfd参数所标识套接字的未决连接请求队列中， 提取第一个连接请求，同时创建一个新的套接字，
用于在该连接中通信，返回该套接字描述符。
同时通过后两个参数向调用者输出客户机的地址信息。
失败返回-1。
*/
ssize_t recv (int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
// 返回实际接收到的字节数。
// 如果在该函数执行过程中，对方关闭了连接，返回0。
// 失败返回-1。
ssize_t send (int sockfd, void const* buf, size_t len, int flags);
//返回kk实际发送的字节数。失败返回-1。
example¶
- UDP
/*
* file : netcli.c
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main (int argc, char* argv[]) {
if (argc < 3) {
printf ("用法：%s <IP地址> <端口号>\n",
argv[0]);
return -1;
}
printf ("客户机：创建套接字...\n");
int sockfd = socket (AF_INET, SOCK_DGRAM,
0);
if (sockfd == -1) {
perror ("socket");
return -1;
}
printf ("客户机：准备地址并连接...\n");
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons (atoi (argv[2]));
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr (argv[1]);
if (connect (sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof (addr)) == -1) {
perror ("connect");
return -1;
}
printf ("客户机：发送数据...\n");
for (;;) {
printf ("> ");
char buf[1024];
gets (buf);
if (! strcmp (buf, "!"))
break;
if (write (sockfd, buf, strlen (buf) + 1) == -1) {
perror ("write");
return -1;
}
if (! strcmp (buf, "!!"))
break;
}
printf ("客户机：关闭套接字...\n");
close (sockfd);
return 0;
}
/*
* filename : netsvr.c
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main (int argc, char* argv[]) {
if (argc < 2) {
printf ("用法：%s <端口号>\n", argv[0]);
return -1;
}
printf ("服务器：创建套接字...\n");
int sockfd = socket (AF_INET, SOCK_DGRAM,0);
if (sockfd == -1) {
perror ("socket");
return -1;
}
printf ("服务器：准备地址并绑定...\n");
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons (atoi (argv[1]));
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if (bind (sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof (addr)) == -1) {
perror ("bind");
return -1;
}
printf ("服务器：接收数据...\n");
for (;;) {
char buf[1024];
ssize_t rb = read (sockfd, buf, sizeof (buf));
if (rb == -1) {
perror ("read");
return -1;
}
if (! strcmp (buf, "!!"))
break;
printf ("< %s\n", buf);
}
printf ("服务器：关闭套接字...\n");
close (sockfd);
return 0;
}
- TCP
/*
* filename : tcpsvr.c
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main (int argc, char* argv[]) {
if (argc < 2) {
printf ("用法：%s <端口号>\n", argv[0]);
return -1;
}
printf ("服务器：创建套接字...\n");
int sockfd = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror ("socket");
return -1;
}
printf ("服务器：准备地址并绑定...\n");
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons (atoi (argv[1]));
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if (bind (sockfd, (struct sockaddr*)&addr,
sizeof (addr)) == -1) {
perror ("bind");
return -1;
}
printf ("服务器：监听套接字...\n");
if (listen (sockfd, 1024) == -1) {
perror ("listen");
return -1;
}
printf ("服务器：等待连接请求...\n");
struct sockaddr_in addrcli = {};
socklen_t addrlen = sizeof (addrcli);
int connfd = accept (sockfd,
(struct sockaddr*)&addrcli, &addrlen);
printf ("服务器：接受来自%s:%u客户机的"
"连接请求。\n",
inet_ntoa (addrcli.sin_addr),
ntohs (addrcli.sin_port));
printf ("服务器：收发数据...\n");
for (;;) {
char buf[1024];
ssize_t rb = recv (connfd, buf,
sizeof (buf), 0);
if (rb == -1) {
perror ("recv");
return -1;
}
if (rb == 0) {
printf ("服务器：客户机已关闭连接。\n");
break;
}
if (send (connfd, buf, rb, 0) == -1) {
perror ("send");
return -1;
}
}
printf ("服务器：关闭套接字...\n");
close (connfd);
close (sockfd);
return 0;
}
- 信号量 sem
/*
* filename : csem.c
*/
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/sem.h>
int pmenu (void) {
printf ("------------------\n");
printf (" 迷你图书馆\n");
printf ("------------------\n");
printf ("[1] 借《三国演义》\n");
printf ("[2] 还《三国演义》\n");
printf ("[3] 借《水浒传》\n");
printf ("[4] 还《水浒传》\n");
printf ("[5] 借《红楼梦》\n");
printf ("[6] 还《红楼梦》\n");
printf ("[7] 借《西游记》\n");
printf ("[8] 还《西游记》\n");
printf ("[0] 退出\n");
printf ("------------------\n");
printf ("请选择：");
int sel = -1;
scanf ("%d", &sel);
return sel;
}
int pleft (int semid, unsigned short semnum){
int val = semctl (semid, semnum, GETVAL);
if (val == -1) {
perror ("semctl");
return -1;
}
printf ("还剩%d册。\n", val);
return 0;
}
int borrow (int semid, unsigned short semnum){
struct sembuf sop = {semnum, -1,
/*0*/IPC_NOWAIT};
if (semop (semid, &sop, 1) == -1) {
if (errno != EAGAIN) {
perror ("semop");
return -1;
}
printf ("暂时无书，下回再试。\n");
return 0;
}
printf ("借阅成功。\n");
return pleft (semid, semnum);
}
int revert (int semid, unsigned short semnum){
struct sembuf sop = {semnum, 1, 0};
if (semop (semid, &sop, 1) == -1) {
perror ("semop");
return -1;
}
printf ("归还成功。\n");
return pleft (semid, semnum);
}
int main (void) {
printf ("创建信号量...\n");
key_t key = ftok (".", 100);
if (key == -1) {
perror ("ftok");
return -1;
}
int semid = semget (key, 4, 0644 |
IPC_CREAT | IPC_EXCL);
if (semid == -1) {
perror ("semget");
return -1;
}
printf ("初始化信号量...\n");
unsigned short semarr[] = {5, 5, 5, 5};
if (semctl (semid, 0, SETALL,
semarr) == -1) {
perror ("semctl");
return -1;
}
int quit = 0;
while (! quit) {
int sel = pmenu ();
switch (sel) {
case 0:
quit = 1;
break;
case 1:
case 3:
case 5:
case 7:
if (borrow (semid, sel / 2) == -1)
return -1;
break;
case 2:
case 4:
case 6:
case 8:
if (revert (semid, (sel-1)/2) == -1)
return -1;
break;
default:
printf ("无效选择！\n");
scanf ("%*[^\n]");
scanf ("%*c");
break;
}
}
printf ("销毁信号量...\n");
if (semctl (semid, 0, IPC_RMID) == -1) {
perror ("semctl");
return -1;
}
printf ("再见！\n");
return 0;
}
/*
* gsem.c
*/
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/sem.h>
int pmenu (void) {
printf ("------------------\n");
printf (" 迷你图书馆\n");
printf ("------------------\n");
printf ("[1] 借《三国演义》\n");
printf ("[2] 还《三国演义》\n");
printf ("[3] 借《水浒传》\n");
printf ("[4] 还《水浒传》\n");
printf ("[5] 借《红楼梦》\n");
printf ("[6] 还《红楼梦》\n");
printf ("[7] 借《西游记》\n");
printf ("[8] 还《西游记》\n");
printf ("[0] 退出\n");
printf ("------------------\n");
printf ("请选择：");
int sel = -1;
scanf ("%d", &sel);
return sel;
}
int pleft (int semid, unsigned short semnum){
int val = semctl (semid, semnum, GETVAL);
if (val == -1) {
perror ("semctl");
return -1;
}
printf ("还剩%d册。\n", val);
return 0;
}
int borrow (int semid, unsigned short semnum){
struct sembuf sop = {semnum, -1,
/*0*/IPC_NOWAIT};
if (semop (semid, &sop, 1) == -1) {
if (errno != EAGAIN) {
perror ("semop");
return -1;
}
printf ("暂时无书，下回再试。\n");
return 0;
}
printf ("借阅成功。\n");
return pleft (semid, semnum);
}
int revert (int semid, unsigned short semnum){
struct sembuf sop = {semnum, 1, 0};
if (semop (semid, &sop, 1) == -1) {
perror ("semop");
return -1;
}
printf ("归还成功。\n");
return pleft (semid, semnum);
}
int main (void) {
printf ("创建信号量...\n");
key_t key = ftok (".", 100);
if (key == -1) {
perror ("ftok");
return -1;
}
int semid = semget (key, 0, 0);
if (semid == -1) {
perror ("semget");
return -1;
}
int quit = 0;
while (! quit) {
int sel = pmenu ();
switch (sel) {
case 0:
quit = 1;
break;
case 1:
case 3:
case 5:
case 7:
if (borrow (semid, sel / 2) == -1)
return -1;
break;
case 2:
case 4:
case 6:
case 8:
if (revert (semid, (sel-1)/2) == -1)
return -1;
break;
default:
printf ("无效选择！\n");
scanf ("%*[^\n]");
scanf ("%*c");
break;
}
}
printf ("再见！\n");
return 0;
}