网络编程

最新推荐文章于 2024-05-13 15:08:27 发布

canoejun

最新推荐文章于 2024-05-13 15:08:27 发布

阅读量291

点赞数

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏：计算机基础文章标签：网络

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/canoejun/article/details/113867879

计算机基础专栏收录该内容

1 篇文章

订阅专栏

本文介绍了网络编程中的客户端-服务器端模型，阐述了IP地址、端口号、保留网段和子网掩码的概念。详细解析了TCP/IP连接的建立、数据传输和关闭过程，以及套接字在其中的作用。同时，提到了IPv4和IPv6的套接字地址格式，并探讨了本地和远程socket的区别。最后，讲解了socket的历史及其在不同操作系统中的应用。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

网络编程模型：客户端-服务器端

无论是客户端，还是服务器端，它们运行的单位都是进程（process），而不是机器。一个客户端，比如手机终端，同一个时刻可以建立多个到不同服务器的连接，比如同时打游戏，上知乎，逛天猫；而服务器端更是可能在一台机器上部署运行了多个服务，比如同时开启了SSH服务和HTTP服务。

端口和IP

酒店的地址是唯一的，每间房间的号码是不同的，类似的，计算机的IP地址是唯一的，每个连接的端口号是不同的。

端口号是一个16位的整数，最多为65536。当一个客户端发起连接请求时，客户端的端口是由操作系统内核临时分配的，称为临时端口；然而，前面也提到过，服务器端的端口通常是一个众所周知的端口。

一个连接可以通过客户端-服务器端的IP和端口唯一确定，这叫做套接字对，按照下面的四元组表示：

（clientaddr:clientport, serveraddr: serverport)

保留网段

国际标准组织在IPv4地址空间里面，专门划出了一些网段，这些网段不会用做公网上的IP，而是仅仅保留做内部使用，因此把这些地址称作保留网段。如：10.0.x.x或者192.168.x.x

子网掩码

IP划分：

网络：表示的是这组IP共同的部分，比如在192.168.1.1~192.168.1.255这个区间里，它们共同的部分是192.168.1.0。
主机：表示的是这组IP不同的部分，上面的例子中1~255就是不同的那些部分，表示有255个可用的不同IP
192.0.2.12，可以说前面三个 bytes 是子网，最后一个 byte 是 host，或者换个方式，能说 host 为8 位，子网掩码为192.0.2.0/24（255.255.255.0）。
子网掩码还需要满足一个条件才可以使用：它的二进制中1和0必须是连续的。

子网掩码就是用来遮掩IP地址并划分网段的工具，根据遮掩的位数不同来划分不同的网段。

192.0.2.12/30, 这样就很容易知道有30个1， 2个0，所以主机个数为4

全球域名系统

数据报和字节流

TCP，又被叫做字节流套接字（Stream Socket），注意这里先引入套接字socket，套接字socket实际上是网络编程的核心概念。

DP也有一个类似的叫法,数据报套接字（Datagram Socket），无连接的Sockets
一般分别以“SOCK_STREAM”与“SOCK_DGRAM”分别来表示TCP和UDP套接字。

UDP在很多场景也得到了极大的应用，比如多人联网游戏、视频会议，甚至聊天室，NTP。

UDP也可以做到更高的可靠性，只不过这种可靠性，需要应用程序进行设计处理，比如对报文进行编号，设计Request-Ack机制，再加上重传等，在一定程度上可以达到更为高可靠的UDP程序。

套接字和地址

socket的寓意是可以通过插口接入的方式，快速完成网络连接和数据收发。

下图是客户端和服务器工作的核心逻辑：

先从右侧的服务器端开始看，因为在客户端发起连接请求之前，服务器端必须初始化好。右侧的图显示的是服务器端初始化的过程，首先初始化socket，之后服务器端需要执行bind函数，将自己的服务能力绑定在一个众所周知的地址和端口上，紧接着，服务器端执行listen操作，将原先的socket转化为服务端的socket，服务端最后阻塞在accept上等待客户端请求的到来。

此时，服务器端已经准备就绪。客户端需要先初始化socket，再执行connect向服务器端的地址和端口发起连接请求，这里的地址和端口必须是客户端预先知晓的。这个过程，就是著名的TCP三次握手（Three-way Handshake）。一旦三次握手完成，客户端和服务器端建立连接，就进入了数据传输过程。

具体来说，客户端进程向操作系统内核发起write字节流写操作，内核协议栈将字节流通过网络设备传输到服务器端，服务器端从内核得到信息，将字节流从内核读入到进程中，并开始业务逻辑的处理，完成之后，服务器端再将得到的结果以同样的方式写给客户端。可以看到，一旦连接建立，数据的传输就不再是单向的，而是双向的，这也是TCP的一个显著特性。

当客户端完成和服务器端的交互后，比如执行一次Telnet操作，或者一次HTTP请求，需要和服务器端断开连接时，就会执行close函数，操作系统内核此时会通过原先的连接链路向服务器端发送一个FIN包，服务器收到之后执行被动关闭，这时候整个链路处于半关闭状态，此后，服务器端也会执行close函数，整个链路才会真正关闭。半关闭的状态下，发起close请求的一方在没有收到对方FIN包之前都认为连接是正常的；而在全关闭的状态下，双方都感知连接已经关闭。

以上所有的操作，都是通过socket来完成的。无论是客户端的connect，还是服务端的accept，或者read/write操作等，socket是用来建立连接，传输数据的唯一途径。

理解socket

可以把整个TCP的网络交互和数据传输想象成打电话，顺着这个思路想象，socket就好像是手里的电话机，connect就好比拿着电话机拨号，而服务器端的bind就好比是去电信公司开户，将电话号码和家里的电话机绑定，这样别人就可以用这个号码找到你，listen就好似人们在家里听到了响铃，accept就好比是被叫的一方拿起电话开始应答。至此，三次握手就完成了，连接建立完毕。

接下来，拨打电话的人开始说话：“你好。”这时就进入了write，接收电话的人听到的过程可以想象成read（听到并读出数据），并且开始应答，双方就进入了read/write的数据传输过程。

最后，拨打电话的人完成了此次交流，挂上电话，对应的操作可以理解为close，接听电话的人知道对方已挂机，也挂上电话，也是一次close。

socket发展历史

socket是加州大学伯克利分校的研究人员在20世纪80年代早期提出的，所以也被叫做伯克利套接字。
其提出是为了想用socket的概念，屏蔽掉底层协议栈的差别。第一版实现socket的就是TCP/IP协议，最早是在BSD 4.2 Unix内核上实现了socket。Linux作为Unix系统的一个开源实现，很早就从头开发实现了TCP/IP协议，伴随着socket的成功，Windows也引入了socket的概念。于是在今天的世界里，socket成为网络互联互通的标准。

套接字地址格式

通用套接字地址格式

/* POSIX.1g 规范规定了地址族为2字节的值.  */
typedef unsigned short int sa_family_t;
/* 描述通用套接字地址  */
struct sockaddr{
    sa_family_t sa_family;  /* 地址族.  16-bit 表示使用什么样的方式对地址进行解释和保存，
                            好比电话簿里的手机格式，或者是固话格式，这两种格式的长度和含义都是不同的。*/
    char sa_data[14];   /* 具体的地址值 112-bit */
  };

地址族在glibc里的定义非常多，常用的有以下几种：

AF_LOCAL：表示的是本地地址，对应的是Unix套接字，这种情况一般用于本地socket通信，很多情况下也可以写成AF_UNIX、AF_FILE；
AF_INET：因特网使用的IPv4地址；
AF_INET6：因特网使用的IPv6地址。

AF_表示的含义是Address Family，但是很多情况下，也会看到以PF_表示的宏，比如PF_INET、PF_INET6等，实际上PF_的意思是Protocol Family，也就是协议族的意思。用AF_xxx这样的值来初始化socket地址，用PF_xxx这样的值来初始化socket。

IPv4套接字格式地址

/* IPV4套接字地址，32bit值.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
  {
    in_addr_t s_addr;
  };
  
/* 描述IPV4的套接字地址格式  */
struct sockaddr_in
  {
    sa_family_t sin_family; /* 16-bit 就是AF_INET*/
    in_port_t sin_port;     /* 端口口  16-bit*/
    struct in_addr sin_addr;    /* Internet address. 32-bit */


    /* 这里仅仅用作占位符，不做实际用处  */
    unsigned char sin_zero[8];
  };

可以看到端口号最多是16-bit，也就是说最大支持2的16次方，这个数字是65536，所以支持寻址的端口号最多就是65535。保留端口就是大家约定俗成的，已经被对应服务广为使用的端口，比如ftp的21端口，ssh的22端口，http的80端口等。一般而言，大于5000的端口可以作为自己应用程序的端口使用。

实际的IPv4地址是一个32-bit的字段，可以想象最多支持的地址数就是2的32次方，大约是42亿，应该说这个数字在设计之初还是非常巨大的，无奈互联网蓬勃发展，全球接入的设备越来越多，这个数字渐渐显得不太够用了，于是大家所熟知的IPv6就隆重登场了。

IPv6套接字地址格式

struct sockaddr_in6
  {
    sa_family_t sin6_family; /* 16-bit */
    in_port_t sin6_port;  /* 传输端口号 # 16-bit */
    uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6流控信息 32-bit*/
    struct in6_addr sin6_addr;  /* IPv6地址128-bit */
    uint32_t sin6_scope_id; /* IPv6域ID 32-bit */
  };

整个结构体长度是28个字节，其中流控信息和域IP先不用管，这两个字段，一个在glibc的官网上根本没出现，另一个是当前未使用的字段。这里的地址族显然应该是AF_INET6，端口同IPv4地址一样，关键的地址从32位升级到128位，完全解决了寻址数字不够的问题。

请注意，以上无论IPv4还是IPv6的地址格式都是因特网套接字的格式，还有一种本地套接字格式，用来做为本地进程间的通信，也就是前面提到的AF_LOCAL。

struct sockaddr_un {
    unsigned short sun_family; /* 固定为 AF_LOCAL */
    char sun_path[108];   /* 路径名 */
};

unix系统有一种一统天下的简洁之美:一切皆文件，socket也是文件。

像sock_addr的结构体里描述的那样，几种套接字都要有地址族和地址两个字段。这容易理解，你要与外部通信，肯定要至少告诉计算机对方的地址和使用的是哪一种地址。与远程计算机的通信还需要一个端口号。
本地socket本质上是在访问本地的文件系统，所以自然不需要端口。远程socket是直接将一段字节流发送到远程计算机的一个进程，而远程计算机可能同时有多个进程在监听，所以用端口号标定要发给哪一个进程。