Linux网络编程

ISO：International Organization for Standardization（国际标准化组织）
OSI：Open System Interconnection（开放式系统互联）

国际标准化组织（ISO）制定了OSI模型，该模型定义了不同计算机互联的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。OSI模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

互联网协议（Internet Protocol Suite）是一个网络通信模型，以及一整个网络传输协议家族，为互联网的基础通信架构。它常被通称为TCP/IP协议族（英语：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），简称TCP/IP。因为该协议家族的两个核心协议：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议），为该家族中最早通过的标准

（1）MAC地址

MAC地址就是在媒体接入层上使用的地址，也叫物理地址、硬件地址或链路地址，由网络设备制造商生产时写在硬件内部。MAC地址与网络无关，也即无论将带有这个地址的硬件（如网卡、集线器、路由器等）接入到网络的何处，都有相同的MAC地址，它由厂商写在网卡的BIOS里。

MAC地址通常表示为12个16进制数，每2个16进制数之间用冒号隔开，如：08:00:20:0A:8C:6D就是一个MAC地址，其中前6位16进制数08:00:20代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE分配，而后6位16进制数0A:8C:6D代表该制造商所制造的某个网络产品（如网卡）的系列号。每个网络制造商必须确保它所制造的每个以太网设备都具有相同的前三字节以及不同的后三个字节。这样就可保证世界上每个以太网设备都具有唯一的MAC 地址。

（2）IP地址

IP地址基于逻辑，比较灵活，不受硬件限制，也容易记忆。MAC地址在一定程度上与硬件一致，基于物理，能够标识具体。这两种地址各有好处，使用时也因条件而采取不同的地址。

如今比较流行的接入Internet的方式（也是未来发展的方向）是把主机通过局域网组织在一起，然后再通过交换机和 Internet相连接。这样一来就出现了如何区分具体用户，防止盗用的问题。由于IP只是逻辑上标识，任何人都随意修改，因此不能用来标识用户；而 MAC地址则不然，它是固化在网卡里面的。从理论上讲，除非盗来硬件（网卡），否则是没有办法冒名顶替的。

（3）浏览器访问 www.baidu.com过程

由应用程序(浏览器)实现
1，浏览器会封装一个http的请求报文，然后要把这个报文发给百度的服务器；
由操作系统实现
2，PC会访问DNS服务器(114.114.114.114)，查询baidu.com的IP地址 123.125.115.110
3，因为是www协议，那就访问123.125.115.110的80端口；
4，获取自己的IP地址，内核给该应用程序动态分配一个未用的端口

（4）TCP与UDP

UDP (User Datagram Protocol)

• UDP不提供复杂的控制机制，利用IP提供面向无连接的通信服务。并且它是将应用程序发来的数据在收到的那一刻，立刻按照原样发送到网络上的一种机制。 即使是出现网络拥堵的情况下，UDP也无法进行流量控制等避免网络拥塞的行为。
• 此外，传输途中如果出现了丢包，UDP也不负责重发。甚至当出现包的到达顺序乱掉时也没有纠正的功能。如果需要这些细节控制，那么不得不交给由采用UDP的应用程序去处理。换句话说，UDP将部分控制转移到应用程序去处理，自己却只提供作为传输层协议的最基本功能。
• UDP有点类似于用户说什么听什么的机制，但是需要用户充分考虑好上层协议类型并制作相应的应用程序。

TCP (Transmission Control Protocol)

• TCP充分实现了数据传输时各种控制功能，可以进行丢包的重发控制，还可以对次序乱掉的分包进行顺序控制。而这些在UDP中都没有。
• 此外，TCP作为一种面向有连接的协议，只有在确认通信对端存在时才会发送数据，从而可以控制通信流量的浪费。TCP通过检验、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。

TCP协议与UDP协议的区别

首先咱们弄清楚，TCP协议和UCP协议与TCP/IP协议的联系，一直都是说TCP/IP协议与UDP协议的区别，是没有从本质上弄清楚网络通信。

TCP/IP协议是一个协议簇。里面包括很多协议的。（UDP只是其中的一个）
TCP/IP协议族包括 应用层，传输层，网络层，网络访问层

应用层:

• 超文本传输协议(HTTP):万维网的基本协议
• 文件传输(TFTP简单文件传输协议)
• 远程登录(Telnet),提供远程访问其它主机功能,它允许用户登录
• internet主机,并在这台主机上执行命令
• 网络管理(SNMP简单网络管理协议),该协议提供了监控网络设备的方法,以及配置管理,统计信息收集,性能管理及安全管理等.
  域名系统(DNS),该系统用于在internet中将域名及其公共广播的网络节点转换成IP地址

网络层:

• Internet协议(IP)
• Internet控制信息协议(ICMP)
• 地址解析协议(ARP)
• 反向地址解析协议(RARP)

网络访问层:

• 网络访问层又称作主机到网络层(host-to-network)，网络访问层的功能包括IP地址与物理地址硬件的映射，以及将IP封装成帧。基于不同硬件类型的网络接口，网络访问层定义了和物理介质的连接。

下面讲解一下TCP协议和UDP协议的区别（传输层）：

一、TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）
是面向连接的协议，也就是说，在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立，其中的过程非常复杂，过程：主机A向主机B发出连接请求数据包：“我想给你发数据，可以吗？”，这是第一次对话；主机B向主机A发送同意连接和要求同步（同步就是两台主机一个在发送，一个在接收，协调工作）的数据包：“可以，你什么时候发？”，这是第二次对话；主机A再发出一个数据包确认主机B的要求同步：“我现在就发，你接着吧！”，这是第三次对话。三次“对话”的目的是使数据包的发送和接收同步，经过三次“对话”之后，主机A才向主机B正式发送数据。

TCP建立连接要进行3次握手：

1. 主机A 通过向主机B发送一个含有同步序列号的标志位的数据段给主机B，向主机B请求建立连接，通过这个数据段，主机A告诉主机B两件事：我想要和你通信；你可以用哪个序列号作为起始数据段来回应我？
2. 主机B收到主机A的请求后，用一个带有确认应答(ACK)和同步序列号(SYN)标志位的数据段响应主机A，也告诉主机A两件事：我已经收到你的请求了，你可以传输数据了；你要用序列号作为起始数据段来回应我！
3. 主机A收到这个数据段后，再发送一个确认应答，确认已收到主机B的数据段：“我已收到回复，我现在要开始传输实际数据了”

3次握手就完成了，主机A和主机B就可以传输数据

3次握手的特点:

• 没有应用层的数据
• SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1
• 握手完成后SYN标志位被置0

TCP断开连接要进行4次：

1. 当主机A完成数据传输后,将控制位FIN置1,提出停止TCP连接的请求
2. 主机B收到FIN后对其作出响应,确认这一方向上的TCP连接将关闭,将ACK置1
3. 由B端再提出反方向的关闭请求,将FIN置1
4. 主机A对主机B的请求进行确认,将ACK置1,双方向的关闭结束.

由TCP的三次握手和四次断开可以看出,TCP使用面向连接的通信方式,大大提高了数据通信的可靠性,使发送数据端和接收端在数据正式传输前就有了交互,为数据正式传输打下了可靠的基础.

名词解释

• ACK TCP报头的控制位之一,对数据进行确认.确认由目的端发出,用它来告诉发送端这个序列号之前的数据段都收到了.比如,确认号为X,则表示前X-1个数据段都收到了,只有当ACK=1时,确认号才有效,当ACK=0时,确认号无效,这时会要求重传数据,保证数据的完整性.
• SYN 同步序列号,TCP建立连接时将这个位置1
• FIN 发送端完成发送任务位,当TCP完成数据传输需要断开时,提出断开连接的一方将这位置1

二、UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）

1. UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
2. 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
3. UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。
4. 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
5. UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数）。
6. UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

我们经常使用“ping”命令来测试两台主机之间TCP/IP通信是否正常，其实“ping”命令的原理就是向对方主机发送UDP数据包，然后对方主机确认收到数据包，如果数据包是否到达的消息及时反馈回来，那么网络就是通的。

小结TCP与UDP的区别：

1. 基于连接与无连接；
2. 对系统资源的要求（TCP较多，UDP少）；
3. UDP程序结构较简单；
4. 流模式与数据报模式 ；
5. TCP保证数据正确性，UDP可能丢包，TCP保证数据顺序，UDP不保证。

UDP应用场景：

1. 面向数据报方式
2. 网络数据大多为短消息
3. 拥有大量Client
4. 对数据安全性无特殊要求
5. 网络负担非常重，但对响应速度要求高