走进 C/C++后台开发的第五步： Linux网络编程

一. TCP/IP协议

协议即： 通信双方必须遵循的规则， 由ISO规定， RFC 文档。

1. OSI 七层模型 与 TCP/IP 四层模型

2. TCP/IP 协议族的成员们

• 应用层（http 超文本传输协议 ftp 文件传输协议， telnet 远程登录协议， ssh 安全外壳协议， smtp 简单邮件发送协议， pop3 接收邮件协议）
• 传输层 （tcp 传输控制协议， udp 用户数据包协议）
• 网络层 （ip 网络互联协议， icmp 网络控制消息协议， igmp 网络组管理协议）
• 网络接口层（arp 地址转换协议， rarp 反向地址转换协议， mpls 多协议标签交换）

每一层负责的工作：

• 网络接口层： 负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接收， 数据帧是独立的网络信息传输单元。
• 网络层：负责将数据帧封装层IP数据报，并运行必要的路由算法。负责点到点的传输（主机或路由器）。
• 传输层： 负责端对端之间的通信会话连接和建立，传输协议的选择根据数据传输的方式而定，负责端到端的传输（源主机与目的主机）
• 应用层： 负责应用程序的网络访问，通过端口号来识别各个不同的进程。
  
  

3. ip协议与路由器

其中网络层的 ip 协议是构成 Internet 的基础， 互联网的主机通过IP地址来表示，且互联网上有大量路由器
负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包。

路由器是在工作在网络层的网络设备，同时兼有交换机的功能，可以在不同的链路层接口之间转发数据包。

IP 协议不保证数据传输的可靠性，数据包在传输过程中可能丢失， 可靠性可用在上层协议或应用程序中提供支持。

4.每一层相关协议的注解

“IP地址和MAC地址相同点是它们都唯一,不同的特点主要有: 对于网络上的某一设备,如一台计算机或一台路由器,其IP地址是基于网络拓扑设计出的,同一台设备或计算机上,改动IP地址是很容易的(但必须唯一),而MAC则是生产厂商烧录好的,一般不能改动。

• ARP: (地址转换协议)用于获得同一物理网络中的硬件主机地址（MAC），是设备通过知道的IP地址获得主机不知道的物理地址的协议。

• RARP: （反向地址转换协议）允许局域网的物理机器从网关服务器的 ARP表或缓存上请求其IP地址。

• IP ：（网际互联协议）负责在主机和网络之间寻址和路由转发数据包。

• ICMP：（网络控制消息协议）用于发送报告有关数据包的传送错误的协议。

• IGMP：（网络组管理协议）被 IP 主机用来向本地多路广播路由器报告主机组成员的的协议，主机与本地路由器之间使用 Internet
  组管理协议来进行组播组成员信息的交互。

• TCP：（传输控制协议）为用户提供可靠的通信连接。 适合于一次传输大批数据的情况，并适用于要求得到响应的应用程序。

• UDP: （用户数据包协议）提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠的保证，适用于一次传输少量数据。

二. 网络相关概念

1. socket 概念

Linux 中的网络编程是通过 socket 接口来进行的。

特点：

• socket 是一种特殊的I/O接口，也是一种文件描述符
• socket 是常用的进程间通信机制（同机器或非同机器之间均可）

组成：

• 每一个socket 都用一个半相关描述{ 协议， 本地地址，本地端口} 表示，完整的套接字使用一个 相关描述{协议，本地地址，本地端口， 目的地址，目的端口} 表示
• socket 类似于文件的函数调用，使用其返回一个socket描述符，随后的连接建立，数据传输等操作均通过 socket来实现。

2. socket 类型

(1) 流式 socket(SOCKET_STREAM) -> 用于 TCP 通信
(2) 数据报 socket(SOCKET_DGRAM) -> 用于 UDP通信
(3) 原始 socket(SOCKET_RAW)-> 用于新的网络协议实现的测试等

原始套接字允许对底层协议如IP和ICMP进行直接访问，功能强大但使用不便，主要用于一些协议的开发。

3. socket 信息数据结构

#include <netinet/in.h>
struct sockaddr {
   
  unsigned short sa_family; //地址族
  char sa_data[14];         //14字节的协议地址包含其socket的IP地址于端口号
};

struct sockaddr_in {
    //在sockaddr上进行了划分，使得端口，ip分开（常用）
   short int sin_family;
   unsigned short int sin_port;
   struct in_addr sin_addr; 
   unsigned char sin_zero[8];  //填充的字节，与sockaddr保持一样大小
};

struct in_addr {
   
   in_addr_t s_addr; //32位ipv4地址，网络字节序
}

sin_family: AF_INET-> IPV4 协议      AF_INET6 -> IPV6协议

4.数据存储优先顺序的转换

在计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（大端模式）和低位字节优先

• 内存的低地址存储数据的低字节，高地址存放数据的高字节的方式叫小端模式。
• 内存的高地址存储数据的低字节，低地址存放数据的高字节的方式叫大端模式

例如： 10 在 内存中存放的是 0x00000000a;

大端模式即： 0x00000000a
小端模式即： 0x0a0000000

可以用 char* 取一个int类型的变量的地址（用10），得到如果解引用后是10，那么是小端，是0则是大端
因为指针总是取一个变量的低地址开始（栈的地址是向下增长）

但是呢，在网络中的端口号和IP地址都是以网络字节序（大端法），因此我们需要对这两个变量的字节存储优先顺序进行相互转化。
这里用到4个函数：

#include <netinet/in.h>
uint16_t htons(unit16_t host16bit);  从host16位比特转换位 network 的short类型（用于端口转换）
uint16_t ntohs(unit16_t net16bit);    反转
unit32_t htonl(unit32_t host32bit);  从host32位比特转换为 network的long 类型(用于ip转换)
unit32_t ntohl(unit32_t net32bit);    反转

成功：返回转换的字节序
失败：返回-1

5. 地址格式转换

我们在表达地址时经常采用的是点分十进制表示的数值，而socket 编程中使用的是32位的网络字节序的二进制值