五、计算机网络体系结构模型

1、概念

2、作用

3、分类

4、OSI参考模型(七层模型)

5、TCP/IP协议模型（四层）

TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路

层（Link）四层。如下图所示：

一般在应用开发过程中，讨论最多的是TCP/IP模型。链路层 也可以称之为 网络接口层

六、TCP/IP网络模型通信过程

1、两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程

2、数据包封装

传输层及其以下的机制由内核提供，应用层由用户进程提供（后面将介绍如何使用socket API编写应用程序），应用程序对通讯数据的含义进行解释，而传输层及其以下处理通讯的细节，将数据从一台计算机通过一定的路径发送到另一台计算机。应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部（header），称为封装（Encapsulation），如下图所示：

不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报

（datagram），在链路层叫做帧（frame）。数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层 协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

3、以太网帧格式

1、以太网的帧格式如下所示：

其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位(6个字节)，是在网卡出厂时固化的。可在shell中使用ifconfig命令查看，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地

址。协议字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。帧尾是CRC校验码。以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位。最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU，如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU，则需要对数据包进行分片

（fragmentation）。ifconfig命令输出中也有“MTU:1500”。注意，MTU这个概念指数据帧中有效

载荷的最大长度，不包括帧头长度。

4、ARP数据报格式

在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用。源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播），目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。

每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。

ARP数据报的格式如下所示：

源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次，对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。硬件类型指链路层网络类型，1为以太网，协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址，后面两个地址长度对于以太网地址和IP地址分别为6和4（字节），op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

5、IP段格式

IP数据报的首部长度和数据长度都是可变长的，但总是4字节的整数倍。对于IPv4，4位版本字段是4。4位首部长度的数值是以4字节为单位的，最小值为5，也就是说首部长度最小是4x5=20字节，也就是不带任何选项的IP首部，4位能表示的最大值是15，也就是说首部长度最大是60字节。8位TOS字段有3个位用来指定IP数据报的优先级（目前已经废弃不用），还有4个位表示可选的服务类型（最小延迟、最大?吐量、最大可靠性、最小成本），还有一个位总是0。总长度是整个数据报（包括IP首部和IP层payload）的字节数。每传一个IP数据报，16位的标识加1，可用于分片和重新组装数据报。3位标志和13位片偏移用于分片。TTL（Time to live)是这样用的：源主机为数据包设定一个生存时间，比如64，每过一个路由器就把该值减1，如果减到0就表示路由已经太长了仍然找不到目的主机的网络，就丢弃该包，因此这个生存时间的单位不是秒，而是跳（hop）。协议字段指示上层协议是TCP、UDP、ICMP还是IGMP。然后是校验和，只校验IP首部，数据的校验由更高层协议负责。IPv4的IP地址长度为32位。

思考题：如果源主机和目的主机不在同一网段，ARP请求的广播帧无法穿过路由器，源主机如何与目的主机通信？

参考： https://blog.csdn.net/weixin_43166958/article/details/86503506

6、TCP数据报格式

有源端口号和目的端口号，通讯的双方由IP地址和端口号标识。32位序号、32位确认序号、窗口大小。4位首部长度和IP协议头类似，表示TCP协议头的长度，以4字节为单位，因此TCP协议头最长可以是4x15=60字节，如果没有选项字段，TCP协议头最短20字节。URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN是六个控制位。16位检验和将TCP协议头和数据都计算在内。

七、传输层协议

TCP协议（打电话）

1、概念：

用来检测网络传输中差错的传输控制协议 transmission control protocol 。 是一种面向连接的传

输层协议，它能提供高可靠性通信(即数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信)

2、适用场合：

1）、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

3）、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

UDP协议（信）

1、概念

UDP（ User Datagram Protocol ）用户数据报协议。是不可靠的无连接的协议。在数据发送前，

因为不需要进行连接，所以可以进行高效率的数据传输。

2、适用场合：

1）发送小尺寸数据

2）适用于广播/组播式通信

3） QQ等即时通讯软件的点对点文本通讯以及音视频通讯 常采用 UDP协议

4）网络多媒体服务中通常采用UDP方式进行实时数据传输

八、网络编程中几个重要概念

1、socket --> 插座，套接字 插座的种类繁多，就像很多个协议一样，必须提前设置好协议。

1）概念

Socket本身有“插座”的意思，在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内

核借助缓冲区形成的伪文件。既然是文件，那么理所当然的，我们可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的，Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是管道主要应用于本地进程间通信，而套接字多应用于网络进程间数据的传递。套接字的内核实现较为复杂，不宜在学习初期深入学习。

在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口

号”就对应一个socket。欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的

socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。

2）套接字通信原理如下图所示：

在网络通信中，套接字一定是成对出现的。一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。我们使用同一个文件描述符指向发送缓冲区和接收缓冲区。

TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现，为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket API。

3）特点

是一套编程的函数接口，目的是 建立套接字

无论是 TCP 协议，还是 UDP 协议，都必须使用 socket

socket 在网络模型中处于应用层与传输层之间

4）例子

使用TCP协议，那么socket建立出来的套接字就是TCP套接字

1 套接字 : int sockfd = socket ( TCP 协议 ); --> 得到 TCP 协议套接字

2 普通文件： int fd = open ( 普通文件 ); --> fd 就是文件描述符

?2、IP地址

1）概念

用来标识网络中不同的主机。通信必须要具有一个IP地址

2）分类

IPV4地址---32位 IPV6地址 ---128位

3）如何表示

常常以点分制"192.168.8.108"

4）数据包中都必须要包含目的IP地址，源IP地址。路由器依赖于此信息作为数据选择路由

3、端口号（16位）

标识同一台主机内 不同的应用程序。

                             网络 1
        主机1 -----------------------------------主机2

         qq                                       qq 

         微信                                     微信 
             ......
        Jack.c       ------------>               Rose.c 
IP地址 192.168.8.100                         192.168.8.108 ---> 双方必须在相同的局域网

端口号    50001                                   50001    ---> 双方都必须使用相同的端口号

端口号占用：

1）系统占用端口号： 1 - 1023 （用户不能再次使用端口号进行通信）

2）可用端口： 1024 - 65535

端口号选择错误 --> 连接错误

4、字节序

1)概念

一个多字节存储单位的低地址存储数据的高有效位 还是 低有效 位，说白了，也就是数据在计算机

内存中以什么样的方式存储

2）分类

小端字节序：数据的低有效位 存储 在 内存中的 低地址

大端字节序：数据的低有效位 存储 在 内存中的 高地址

3）为了避免不同类别主机之间在数据交换时由于对于字节序的不同而导致的差错，引入了网络字节序。也就是统一规定所有主机通过网络发送数据包时转为大端序，也就是网络字节序。

内存地址： 低地址 -------------------------> 高地址

"hello"
         x86平台 -----> ARM

     小端字节序： 低字节存放在低地址 1 2 3 4
     大端字节序： 高字节存放在低地址 4 3 2 1

    本地字节序： 取决于主机本身 x86是小端 ARM是大端
    网络字节序： 一定是大端字节序

            高         低 
     例子: 192.168.1.120

    x86： 021.1.861.291 ---> 网络： 192.168.1.120 
    ARM： 192.168.1.120 ---> 网络： 192.168.1.120 

总结一下： 无论本身是大端还是小端，都需要把自身的字节序转换为网络字节序，即大端，才能在网络中传输数据。

九、TCP通信

1、通信过程

2、客户端API

1、建立套接字

1 #include <sys/types.h> /* See NOTES */

2 #include <sys/socket.h>

3 int socket ( int domain , int type , int protocol );

函数作用

建立套接字，返回套接字文件描述符

函数参数

????????domain : 你要选择 哪一种 地址族

????????????????????????PF_INET / AF_INET Ipv4 网络协议

????????????????????????PF_INET6/AF_INET6 Ipv6 网络协议

????????type: 你 要选择 哪一种 协议

????????????????????????SOCK_STREAM 选择TCP ----流式 套接字

????????????????????????SOCK_DGRAM 选择UDP ----数据报套接字

????????protocol : 传0表示使用默认协议

返回值

????????成功返回 套接字文件描述符 sockfd

????????失败返回 -1

2、发起连接 -拨打电话

1 #include <sys/types.h> /* See NOTES */

2 #include <sys/socket.h>

3 int connect ( int sockfd , const struct sockaddr * addr , socklen_t addrlen );

函数参数

????????sockfd --> 套接字文件描述符

????????addr ---对方的IP地址 和 端口号

????????addrlen ---地址的长度 sizeof(struct sockaddr_in )

1 使用 man 7 ip 可以查看以下结构体

2 struct sockaddr --- 旧的结构体

3 {

4 unsigned short int sa_family ; --- IP 地址 端口号 、 协议

5 unsigned char sa_data [ 14 ];

6 };

7 IPV4 结构体

8 struct sockaddr_in

9 {

10 short int sin_family ; / 地址族 IPV4 IPV6 /

11 unsigned short int sin_port ; / 端口号 /

12 struct in_addr sin_addr ; / IP 地址 /

13 };

14 struct in_addr {

15 in_addr_t s_addr ; / in_addr_t 为 32 位的 unsigned int ，该无符号整数采用大端字节序。 /

16 };

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

//服务器的IP地址
#define SERVER_IP	"192.168.11.2"
#define SERVER_PORT	60000

//用来给客户端发送数据
void *send_buf(void *arg)
{
	//设置自己为分离属性
	pthread_detach(pthread_self());
	int ret;
	
	char buf[1024] = {0};
	while(1)
	{
		scanf("%s",buf); 	
		//给客户端发送数据
		send(*(int *)arg,buf,strlen(buf),0);  		
	}
	
}

int main(int argc,char **argv)
{
	//建立套接字
	int socket_fd;
	//AF_INET-->ipv4  SOCK_STREAM-->tcp
	socket_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(socket_fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}	
		
	//重复绑定本机IP可能会出现失败，这个时候要设置端口号复用。(笔记2)
	int optval = 1;
 	setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,&optval, sizeof(optval));

	//填充本机IP地址和端口
	struct sockaddr_in server_addr;
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);//本机端口转化为网络端口
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);//将本机IP转换为网络IP
	
	//绑定本机IP和端口
	int ret;
	ret = bind(socket_fd,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr));
	if(ret < 0)
	{
		perror("bind fail");
		return -1;
	}	
	printf("bind success [%s %d]\n",SERVER_IP,SERVER_PORT);
	
	//监听
	ret = listen(socket_fd,20);
	if(ret < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}	
	
	//等待客户端的连接
	int socket_client;//客户端的套接字
	struct sockaddr_in client_addr;//用来接受客户端的ip地址和端口
	socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);
	//socket_client = accept(socket_fd,NULL,NULL); //如果不解析客户端的地址和端口可以设置地址参数为NULL
	socket_client = accept(socket_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,&addrlen);
	if(socket_client < 0)
	{
		perror("accept fail");
		return -1;	
	}
	//解析客户端的ip和端口号
	char *ip = inet_ntoa(client_addr.sin_addr);//将网络ip转换为本机ip
	int port = ntohs(client_addr.sin_port);//将网络端口号转换为本机端口号
	printf("new client [ip:%s port:%d]\n",ip,port);
	//server_addr.sin_addr.s_addr
	
	//单独开一个线程用来给客户端发送数据
	pthread_t tid;
	ret = pthread_create(&tid,NULL,send_buf,&socket_client);//传参客户端的socket套接字
	if(ret != 0)
	{
		perror("pthread_create fail");
		return -1;
	}
	
	//接受客户端发送的数据(接受的是客户端的套接字)
	char buf[1024] = {0};
	while(1)
	{	
		memset(buf,0,sizeof(buf));
		ret = recv(socket_client,buf,sizeof(buf),0);
		//ret = read(socket_client,buf,sizeof(buf));//和recv函数的功能一样
		if(ret == 0)
		{
			printf("client down\n"); //客户端掉线
			break;
		}
		printf("[ip:%s port:%d] buf:%s ret:%d \n",ip,port,buf,ret);
		

	}
	
	//关闭套接字
	close(socket_fd);
	
	return 0;
}	

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

/*socket*/
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
/*ip*/
#include <netinet/in.h> //man 3 inet_addr
#include <arpa/inet.h>

//服务器的IP地址
#define SERVER_IP	"192.168.11.2"
#define SERVER_PORT	60000

//用来单独接收的线程
void *recv_buf(void *arg)
{
	//设置自己为分离属性
	pthread_detach(pthread_self());
	
	int ret;
	char buf[1024] = {0};
	
	while(1)
	{	
		bzero(buf,1024);
		//接受服务器回射的数据
		ret = recv(*(int *)arg,buf,sizeof(buf),0);
		if(ret == 0)
		{
			printf("server down\n"); //服务器掉线
			break;
		}	
		printf("recv buf:%s ret:%d \n",buf,ret);	
	}
}

int main(int argc,char **argv)
{
	//ret用来判断返回值
	int ret;
	
	//建立套接字--socket
	int socket_fd;
	//AF_INET-->ipv4  SOCK_STREAM-->tcp
	socket_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(socket_fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}
	
	#if 0
	//绑定本机ip和端口(可以绑定自己的端口,如果不绑定系统随机分配)
	struct sockaddr_in my_addr;
	my_addr.sin_family = AF_INET; //ipv4
	my_addr.sin_port = htons(60001);//host to net(本机端口号转网络端口号)
	my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.11.2");//将本机IP转换为网络IP	
	bind(socket_fd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(my_addr));
	#endif
	
	//创建一个线程用来接受服务器发送过来的数据
	pthread_t tid;
	ret = pthread_create(&tid,NULL,recv_buf,&socket_fd);
	if(ret != 0)
	{
		perror("pthread_create fail");
		return -1;
	}
	
	//填充IP地址(服务器)--新结构体
	struct sockaddr_in server_addr;
	server_addr.sin_family = AF_INET; //ipv4
	server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);//host to net(本机端口号转网络端口号)
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);//将本机IP转换为网络IP
	
	//连接服务器
	ret = connect(socket_fd,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr));
	if(ret < 0)
	{
		printf("connect fail\n");
		return -1;
	}
	
	//给服务器发送数据
	char buf[1024] = {0};
	while(1)
	{	
		memset(buf,0,sizeof(buf));
		scanf("%s",buf);
		ret = send(socket_fd,buf,strlen(buf),0);  //如果服务器掉线，客户端继续发送，就会导致进程退出
		//ret = write(socket_fd,buf,strlen(buf));
		printf("send success ret:%d\n",ret);
	}
	
	//关闭套接字
	close(socket_fd);
	return 0;
}

练习4： 写一个回射服务器，这个服务器功能就是客户端发送什么数据给服务器，服务器都会将数据回发到客户端。

服务器

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

//服务器的IP地址
#define SERVER_IP	"192.168.11.2"
#define SERVER_PORT	60000

int main(int argc,char **argv)
{
	//建立套接字
	int socket_fd;
	//AF_INET-->ipv4  SOCK_STREAM-->tcp
	socket_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(socket_fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}	
		
	//重复绑定本机IP可能会出现失败，这个时候要设置端口号复用。
	int optval = 1;
 	setsockopt(socket_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,&optval, sizeof(optval));

	//填充本机IP地址和端口
	struct sockaddr_in server_addr;
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);//本机端口转化为网络端口
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);//将本机IP转换为网络IP
	
	//绑定本机IP和端口
	int ret;
	ret = bind(socket_fd,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr));
	if(ret < 0)
	{
		perror("bind fail");
		return -1;
	}	
	printf("bind success [%s %d]\n",SERVER_IP,SERVER_PORT);
	
	//监听
	ret = listen(socket_fd,20);
	if(ret < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}	
	
	//等待客户端的连接
	int socket_client;//客户端的套接字
	struct sockaddr_in client_addr;//用来接受客户端的ip地址和端口
	socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);
	socket_client = accept(socket_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,&addrlen);
	if(socket_client < 0)
	{
		perror("accept fail");
		return -1;	
	}
	//解析客户端的ip和端口号
	char *ip = inet_ntoa(client_addr.sin_addr);//将网络ip转换为本机ip
	int port = ntohs(client_addr.sin_port);//将网络端口号转换为本机端口号
	printf("[ip:%s port:%d]\n",ip,port);
	
	//接受客户端发送的数据(接受的是客户端的套接字)
	char buf[1024] = {0};
	while(1)
	{	
		memset(buf,0,sizeof(buf));
		ret = recv(socket_client,buf,sizeof(buf),0);
		//ret = read(socket_client,buf,sizeof(buf));//和recv函数的功能一样
		if(ret == 0)
		{
			printf("client down\n");
			break;
		}
		printf("[ip:%s port:%d] buf:%s ret:%d \n",ip,port,buf,ret);
		
		//将接收到的数据回射给客户端
		send(socket_client,buf,strlen(buf),0); 
	}
	
	//关闭套接字
	close(socket_fd);
	
	return 0;
}	

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
/*socket*/
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
/*ip*/
#include <netinet/in.h> //man 3 inet_addr
#include <arpa/inet.h>

//服务器的IP地址
#define SERVER_IP	"192.168.11.2"
#define SERVER_PORT	60000

int main(int argc,char **argv)
{
	//建立套接字--socket
	int socket_fd;
	//AF_INET-->ipv4  SOCK_STREAM-->tcp
	socket_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(socket_fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}
	
	#if 0
	//绑定本机ip和端口(可以绑定自己的端口,如果不绑定系统随机分配)
	struct sockaddr_in my_addr;
	my_addr.sin_family = AF_INET; //ipv4
	my_addr.sin_port = htons(60001);//host to net(本机端口号转网络端口号)
	my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.11.2");//将本机IP转换为网络IP	
	bind(socket_fd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(my_addr));
	#endif
	
	//填充IP地址(服务器)--新结构体
	struct sockaddr_in server_addr;
	server_addr.sin_family = AF_INET; //ipv4
	server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);//host to net(本机端口号转网络端口号)
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);//将本机IP转换为网络IP
	
	//连接服务器
	int ret;
	ret = connect(socket_fd,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr));
	if(ret < 0)
	{
		printf("connect fail\n");
		return -1;
	}
	
	//给服务器发送数据
	char buf[1024] = {0};
	while(1)
	{	
		memset(buf,0,sizeof(buf));
		scanf("%s",buf);
		ret = send(socket_fd,buf,strlen(buf),0); 
		//ret = write(socket_fd,buf,strlen(buf));
		//printf("send success ret:%d\n",ret);
		
		//接受服务器回射的数据
		ret = recv(socket_fd,buf,sizeof(buf),0);
		printf("recv buf:%s ret:%d \n",buf,ret);
	}
	
	//关闭套接字
	close(socket_fd);
	return 0;
}