[网络协议]网络编程的基本概念

网络编程基本概念

1. 进程间通信机制 (7种)

1. 无名管道：只能用于具有亲缘关系的进程间通信
2. 有名管道：会创建一个本地的管道文件
3. 信号通信：唯一的异步通信机制
4. 消息队列：可以保存数据，并且可以通过消息类型获取数据
5. 共享内存：实时数据会使用共享内存保存和读取
6. 信号灯集：解决同步问题
7. 套接字通信：最大的特点是可以实现不同主机之间的进程通信

2.1 OSI开放系统互联模型

七层结构

• 应用层：面向用户的应用程序，app
• 表示层：数据加密、解密操作
• 会话层：将数据所在主机的逻辑名字和物理名字之间建立联系
• 传输层：负责数据具体传输的机制
• 网络层：处理如何将数据发给目的主机，路由的选择
• 链路层：将前面所有的数据组成一个数据包，称之为一帧数据
• 物理层：选择数据发送的物理媒介
  注意：OSI的七层结构是绝对不能互换的，可以从上到下说，也可以从下到上说，但是顺序绝对不能颠倒
  

2.2 TCP/IP协议族

四层

• 应用层
• 传输层
• 网络层
• 网络结构与物理层 / 链路层

虽然TCP/IP协议族只有四层结构，但是却包含了OSI七层的所有功能

2.3 OSI模型与TCP/IP协议族对比

2.4 常用协议

• 应用层
  ① HTTP(Hypertext Transfer Protocol) 超文本传输协议 --> 万维网的数据通信的基础
  ② FTP(File Transfer Protocol) 文件传输协议 --> 是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用 TCP 传输
  ③ TFTP(Trivial File Transfer Protocol) 简单文件传输协议 --> 是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用 UDP 传输
  ④ SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 简单邮件传输协议 --> 一种提供可靠且有效的电子邮件传输的协议

• 传输层
  ① TCP(Transport Control Protocol) 传输控制协议 --> 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
  ② UDP(User Datagram Protocol) 用户数据报协议 --> 是一种无连接、不可靠、快速传输的传输层通信协议

• 网络层
  ① IP(Internetworking Protocol) 网际互连协议 --> 是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议
  ② ICMP(Internet Control Message Protocol) 互联网控制信息协议 --> 用于在IP主机、路由器之间传递控制消息
  ③ IGMP(Internet Group Management Protocol) 互联网组管理 --> 是一个组播协议，用于主机和组播路由器之间通信

• 数据接口与物理层
  ①ARP(Address Resolution Protocol) 地址解析协议 --> 通过IP地址获取对方mac地址
  ② RARP(Reverse Address Resolution Protocol) 逆向地址解析协议 --> 通过mac地址获取对方ip地址

注意 ：每层协议之间是有一定联系的，上层的一些协议必须要下层提供指定协议才能够使用，协议之间不能够乱组包

2.5 数据封装和解包

一个数据包的大小不止应用层数据的大小，还要包含各个层次的协议头的大小

2.7 TCP与UDP协议

2.7.1 TCP (即传输控制协议)

TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP协议有回传机制，如果数据传输有误，会重新传输

适用情况:
① 适合于对传输质量要求较高，以及传输大量数据的通信。
② 在需要可靠数据传输的场合，通常使用TCP协议
如 MSN/QQ等即时通讯软件的用户登录账户管理相关的功能通常采用TCP协议

2.7.2 UDP 用户数据报传输协议

UDP是一种无连接、不可靠、快速传输的传输层通信协议。在数据发送前，因为不需要进行连接，且不会确认数据发送是否出现错误，所以可以进行高效率的数据传输。

适用情况:
① 发送小尺寸数据（如对DNS服务器进行IP地址查询时）
② 在接收到数据，给出应答较困难的网络中使用UDP。（如：无线网络）
③ 适合于广播/组播式通信中。
④ MSN/QQ/Skype等即时通讯软件的点对点文本通讯以及音视频通讯通常采用UDP协议
⑤ 流媒体、VOD、VoIP、IPTV等网络多媒体服务中通常采用UDP方式进行实时数据传输

2.7.3 TCP与UDP二者异同点

• 共同点 ：同为传输层协议
• 不同点：
  TCP：有连接，可靠
  UDP：无连接，不保证可靠

3. socket、ip、端口号、字节序

• socket --> 提供可通信的场所
• ip地址 --> 确定唯一主机
• 端口号 --> 确定唯一进程
• 字节序 --> 能够看懂数据(大小端存储问题)

3.1 socket 套接字

socket是一个函数接口，会返回文件描述符
socket常用的三种类型：

• SOCK_STREAM --> 流式套接字
  ① 提供一个面向连接、可靠的数据传输服务。
  ②可以将数据无差错，无重复的发送且按发送顺序接收
  ③内设置流量控制，避免数据流淹没慢的接收方。
  ④数据被看作是字节流，无长度限制，用于TCP

• SOCK_DGRAM --> 数据报套接字
  ①提供无连接服务
  ②数据 以独立数据包的形式被发送，不提供无差错保证，数据 可能丢失或者重复。顺序发送，有可能乱序接收。
  ③用于UDP

• SOCK_RAW --> 原始套接字
  可以对较低层次协议直接访问，如IP、ICMP。

3.2 IP地址 mac地址

MAC地址在一个局域网内确定唯一一台主机
每个网卡在出厂时，会分配一个编号，这个编号就是mac地址，每个mac地址占6字节
IP地址在网络中确定唯一一台主机

3.2.1 查询IP地址：

Linux：ifconfig
windows：ipconfig

3.2.2 ip地址分类

3.2.3 IPv4地址表示形式

点分十进制：192.168.70.10
①三个点将地址等分成四个部分，每个部分1个字节，每一部分范围都是0-255
②开发时，写IPv4地址时，不需要写点，直接写32位地址即可
③点分十进制IP地址本质是字符串，32位IP地址本质是无符号整型数据

3.2.4 IPv4地址分类

IPv4地址分类根据地址前八位来分

127.x.x.x 属于每一台主机的本地地址，主要用于一台主机的多个进程通过套接字通信可以使用这个ip地址
局域网地址：任意一个ip地址都可以通过路由器下分局域网ip地址，为了解决ipv4地址不够用的问题

3.2.5 IPv4的C类地址分析

IPv4的C类地址前24位为 网络号，后8位为 主机号。
例：
192.168.50.x

理论上，一个网段可以分配 256 个IP地址，但实际只能连接 254 个

3.2.6 IPv4的子网掩码

子网掩码：用于判断一个网段下能够连接的主机数量

子网掩码也是32位，每一位与ipv4的地址对应，子网掩码一般是由连续个1和连续个0组成。
连续个1对应的ip地址的对应位置称之为网络号，连续个0对应的ip地址的对应位置称之为主机号，所以理论上有多少个0就可以判断连接的主机数

练习题:192.168.50网段下的子网掩码是255.255.255.128,
请问实际连接的主机数是 2^7 - 2 = 126 ,
范围是 192.168.50.129 - 192.168.50.254

3.2.7 端口号

端口号是人为设置的用来区分一个操作系统中进程的编号，一个端口号标识一台主机的唯一一个进程
端口号一般由IANA (Internet Assigned Numbers Authority) 管理
众所周知端口： 1 – 1023
( 1 – 255 为众所周知端口，256 – 1023 端口通常由 UNIX系统占用 )
已登记端口：1024 – 49151
动态或私有端口：49152 – 65535

可以使用 vi /etc/services查看已经被占用的端口号
一般情况下，6666、7777、8888、9999、10000都可以使用

3.2.8 字节序

不同类型CPU的主机中，内存存储多字节整数序列方式，叫做主机字节序（HBO）

字节序分为：小端序（little-endian）和 大端序（big-endian）

小端序 (little-endian) : 低字节存储低地址
将低字节存储在起始地址，称为小端字节序
intel、AMD等都采用小端序

大端序（big-endian）：高字节存储在低地址
将高字节存储在起始地址，称为大段字节序
ARM、Motorola等采用。

举个例子
字节是分配内存的最小单位

int a = 0x12345678

记忆偏方（不准确，莫全信）：
我们用的电脑是小机器，用小端存储
小端存储是“小存小”，存储位置跟字节高低位一致

服务端是大机器，用的大端存储
大端存储是“小存大”，存储位置跟字节高低相反

总结 一样的是小端，不一样的是大端
一样的机器一致的字节序 # 不一样的机器不一致的字节序

如果两个主机之间想要通信，那么还需要确定两个主机的字节序是否一样，如果不一样，收发的数据可以会出问题

网络中传输的数据必须按网络字节序，即大端字节序

例如：张三要给李四发送数据，张三就需要将数据从主机字节序转化为网络字节序，李四接收到数据之后，将网络字节序的数据转化为主机字节序，这样就保证数据传输无误

什么样的数据在传输的时候需要考虑字节序？
如果是单个字符或者字符串，是不需要考虑字节序的，因为一个字节一个字节存取时不涉及字节序的转换
如果多个字节作为一个整体，就需要考虑字节序，比如端口号

具体主机字节序与网络字节序之间的转换不需要自己实现，有专门的函数htons、htonl、ntohs、ntohl