网络基础知识-应用层

原创 于 2019-06-18 16:10:51 发布 · 523 阅读 · 0 ·
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本文围绕网络编程应用层展开，先介绍自定制协议，以自制网络计算器为例说明序列化与反序列化。重点阐述HTTP协议，包括认识url、其编码与解码，HTTP协议格式、方法、状态码及常见头部信息，还实现了简单HTTP服务器，强调HTTP协议是应用层关键。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

在了解网络整体模型之前学习了套接字编程和一些简单的网络知识。但是网络编程的理论基础是建立在多方面上的，比如数据在每一层是经过了怎么样的封装，每一层使用了哪些协议，每一层的协议又有哪些用途。只有掌握好这些基础知识，才能更好的成为一个服务器开发人员。

应用层

程序员写的一个个解决我们实际问题，满足我们日常需求的网络程序，都是在应用层完成的。

那么应用层使用了哪些协议呢？

自定制协议

socket编程中，收发数据我们通过的是字符串的形式，假如我们想传输“结构化的数据”怎么办？

假定此时我们被分发了一个任务，需要自制一个网络计算器。此时有两种方案。

约定方案一:
客户端发送一个形如"1+1"的字符串;
这个字符串中有两个操作数, 都是整形;
两个数字之间会有一个字符是运算符, 运算符只能是 + ;
数字和运算符之间没有空格;

约定方案二:
定义结构体来表示我们需要交互的信息;
发送数据时将这个结构体按照一个规则转换成字符串, 接收到数据的时候再按照相同的规则把字符串转化回结构体;
这个过程叫做 "序列化" 和 "反序列化"

序列化： 将数据按照持久化存储或网络数据传输的格式进行排布

反序列化： 将数据按照指定的协议进行解析

我们将这个计算的传输数据保存到一个结构体中

struct cal
{
    int num1;			//cal.num1 = 1 , cal.num2 = 2 , cal.op = '+'
    int num2;			//send(cal)		----	recv(char buf[9])
    char op;			//						char *a = buf;
}cal;

通过代码实现一下，将之前的TCP.h文件和服务端和客户端进行一个改变即可

之前博客可查看：https://blog.youkuaiyun.com/skrskr66/article/details/91452452

//tcpSocket.hpp
类外添加
typedef struct cal_t
{
    int num1;
    int num2;
    char op;
}cal;
类内添加
int GetSockFd()
{
    return _sock;
}
//tcp_cli.cpp
include "tcpsocket.hpp"

int main(int argc,char* argv[])
{
  if(argc != 3)
  {
    cout<<"./tcp_client ip port"<<endl;
    return -1;
  }
  string ip = argv[1];
  uint16_t port = atoi(argv[2]);
  //字符串转换成整型数的一个函数
  TcpSocket sock;
  CHECK_RET(sock.Socket());
  CHECK_RET(sock.Connect(ip,port));

  while(1)
  {
    cal info;
    cin>>info.num1>>info.op>>info.num2;
    int fd = sock.GetSockFd();
    send(fd,&info,sizeof(cal),0);
  }
  sock.Close();
  return 0;
}
//tcp_ser.cpp
#include "tcpsocket.hpp"

int main(int argc,char* argv[])
{
  if(argc != 3)
  {
    cout<<"./tcp_server ip port"<<endl;
    return -1;
  }
  string ip = argv[1];
  uint16_t port = atoi(argv[2]);

  TcpSocket sock;
  CHECK_RET(sock.Socket());
  CHECK_RET(sock.Bind(ip,port));
  CHECK_RET(sock.Listen());
  while(1)
  {
    TcpSocket clisock;
    struct sockaddr_in cliaddr;

    if(sock.Accept(clisock,&cliaddr) == false)
    {
      continue;
    }
    cout<<"new connect client:"<<inet_ntoa(cliaddr.sin_addr)<<":"<<ntohs(cliaddr.sin_port)<<endl;

    int fd = clisock.GetSockFd();
    cal info;

    recv(fd,&info,sizeof(cal),0);
    switch(info.op)
    {
      case '+':
        cout<<"num1: ["<<info.num1<<"]"<<info.op<<"num2: ["<<info.num2<<"]"<<"= ["<<info.num1 + info.num2<<"]"<<endl;
        break;
      case '-':
        cout<<"num1: ["<<info.num1<<"]"<<info.op<<"num2: ["<<info.num2<<"]"<<"= ["<<info.num1 - info.num2<<"]"<<endl;
        break;
      case '*':
        cout<<"num1: ["<<info.num1<<"]"<<info.op<<"num2: ["<<info.num2<<"]= ["<<info.num1 * info.num2<<"]"<<endl;
        break;
      case '/':
        cout<<"num1:["<<info.num1<<"]"<<info.op<<"num2: ["<<info.num2<<"]= ["<<info.num1 / info.num2<<"]"<<endl;
        break;
    }
  }
  sock.Close();
}

网络1

客户端输入计算值，服务端即可返回计算结果。传输了结构化数据

HTTP协议

虽然HTTP协议早已耳熟能详。但是它也是由大佬定义的协议，我个人认为也算在自定制协议中。

HTTP协议又称为超文本传输协议。是一个基于请求与响应模式的、无状态的、应用层的协议，常基于TCP的连接方式 。

认识url

url简单的理解就是我们常说的网址。它的专业名称是：统一资源定位符

网络2

上面就是一个url各个部分的意义

url的编码urlencode与解码urldecode

网络3

当我们进行一些查找的操作时，比如百度搜索C++,但是上面的url却变成了c%2B%2B，这是怎么回事？

像这样的字符，已经被url当作特殊意义理解了。因此这些字符不能随意出现。

比如，某个参数中需要带又这些特殊字符，就必须先对这些字符进行编码操作。

urlencode：将特殊字符转换为16进制字符串，并且在前方使用%表明两个字符是经过了编码的

urldecode：当查询字符串出现%则认为，后续两个字符是需要进行url解码的

HTTP协议格式

通过使用fiddler进行抓包，查看HTTP的协议格式

域名中的xx是我个人隐藏。。。

GET http://123.207.58.xx/ HTTP/1.1
Host: 123.207.58.xx
Connection: keep-alive
Upgrade-Insecure-Requests: 1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/74.0.3729.169 Safari/537.36
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8,application/signed-exchange;v=b3
Referer: http://123.207.58.25/homework/userHomework
Accept-Encoding: gzip, deflate
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Cookie: PHPSESSID=1vgu9tcfei5t4erlc9sq9gj8o3; loginStatus=yes


HTTP/1.1 200 OK
Server: nginx/1.12.2
Date: Tue, 18 Jun 2019 06:46:49 GMT
Content-Type: text/html; charset=UTF-8
Transfer-Encoding: chunked
Connection: keep-alive
X-Powered-By: PHP/5.4.16
Expires: Thu, 19 Nov 1981 08:52:00 GMT
Cache-Control: no-store, no-cache, must-revalidate, post-check=0, pre-check=0
Pragma: no-cache

上面分别为http协议请求和http协议响应

请求首行：[请求方法] + [url] + [版本]

Header(请求头部)：请求的属性，由一个个键值对组成，每个键值对都有对其含义和功能 key:val\r\nkay:val\r\n，每组属性之间使用\n分隔；遇到空行表示Header部分结束

响应首行：[版本号] + [状态码] + [状态码解释]

Body：空行后面的内容都是Body. Body允许为空字符串. 如果Body存在, 则在Header中会有一个键值对Content-Length属性来标识Body的长度; 如果服务器返回了一个html页面, 那么html页面内容就是在body中.

HTTP的方法

请求方法有很多，依次罗列，不过所有方法名均为大写

GET请求获取request-url所标识的资源1.0/1.1
POST在request-url所标识的资源后附加新的数据1.0/1.1
HEAD请求获取由request-url所标识的资源的响应消息报头1.0/1.1
PUT请求服务器存储一个资源，并用request-url作为其标识1.0/1.1
DELETE请求删除request-url所标识的资源1.0/1.1
TRACE请求服务器回送收到的请求信息，主要用于测试或诊断1.1
CONNECT保留将来使用1.1
OPTIONS请求查询服务器的性能，或者查询与资源相关的选项和需求1.1
LINK建立和资源之间的联系1.0
UNLINE断开连接关系1.0

其中最常用的就是GET和POST

GET方法：在浏览器的地址栏中输入网址的方式访问网页时，浏览器采用GET方法向服务器获取资源

POST方法要求被请求服务器接受附在请求后面的数据，常用于提交表单。

HTTP的状态码
类别原因
1xxInformational（信息性状态码）表示请求已被接收，正在被处理
2xxSuccess（成功状态码）请求正常处理完毕
3xxRedirection（重定向状态码）需要进行附加操作以完成请求
4xxClient Error(客户端错误状态码)服务器不能处理该请求
5xxServer Error（服务端错误状态码）服务器处理请求出错

常见状态码：

200 OK      //客户端请求成功
    
302 Redirect	//重定向

400 Bad Request  //客户端请求有语法错误，不能被服务器所理解

401 Unauthorized //请求未经授权，这个状态代码必须和WWW-Authenticate报头域一起使用 

403 Forbidden  //服务器收到请求，但是拒绝提供服务

404 Not Found  //请求资源不存在，eg：输入了错误的URL

500 Internal Server Error //服务器发生不可预期的错误

503 Server Unavailable  //服务器当前不能处理客户端的请求，一段时间后可能恢复正常
HTTP常见的头部信息
Content-Type: 数据类型(text/html等);
    
Content-Length: Body的长度;

Host: 客户端告知服务器, 所请求的资源是在哪个主机的哪个端口上;

User-Agent: 声明用户的操作系统和浏览器版本信息;

referer: 当前页面是从哪个页面跳转过来的;

location: 搭配3xx状态码使用, 告诉客户端接下来要去哪里访问;

Cookie: 用于在客户端存储少量信息. 通常用于实现会话(session)的功能;
实现一个简单HTTP服务器
#include <iostream>
#include <sstream>
#include "tcpsocket.hpp"

int main(int argc,char* argv[])
{
  if(argc != 3)
  {
    cout<<"./httpserver ip port\n"<<endl;
    return -1;
  }

  string ip = argv[1];
  uint16_t port = atoi(argv[2]);

  TcpSocket sock;
  CHECK_RET(sock.Socket());
  CHECK_RET(sock.Bind(ip,port));
  CHECK_RET(sock.Listen());

  while(1)
  {
    TcpSocket clisock;
    if(sock.Accept(clisock) == false)
    {
      continue;
    }
    string buf;
    clisock.Recv(buf);
    cout<<"req:["<<buf<<"]"<<endl;

    string body;
    body = "<html><body><h1>Hello Donkey</h1></body></html>";
    stringstream ss;

    ss << "HTTP/1.1 502 Bad GateWay\r\n";
    ss << "Content-Length: " << body.size() <<"\r\n";
    ss << "Content-Type: text/html\r\n";
    ss << "Location: http://www.baidu.com\r\n";
    ss << "\r\n";

    string header = ss.str();

    clisock.Send(header);
    clisock.Send(body);
    clisock.Close();
  }
  sock.Close();
  return 0;
}

网络4

网络5

运行如图，感觉还不错。

个人小结

应用层中最关键的是HTTP协议。而在HTTP协议中，首先是了解url，url又叫做统一资源定位符。

url在查找过程中当遇到特殊的字符存在时还有编码与解码的操作。将特殊字符转换为16进制。

HTTP的协议格式分为请求和响应。它们又分别具有请求首行，请求报头；响应首行，响应报头

HTTP的方法有多种，我们常用的为GET和POST这两种

HTTP的状态码有五种分别为1xx,2xx,3xx,4xx,5xx。它们分别对应了信息性状态码，成功状态码，重定向状态码，客户端错误状态码，服务端错误状态码

HTTP的常见头部信息有：

Content-Type: 数据类型(text/html等)

Content-Length: Body的长度

Host: 客户端告知服务器, 所请求的资源是在哪个主机的哪个端口上;

User-Agent: 声明用户的操作系统和浏览器版本信息;

referer: 当前页面是从哪个页面跳转过来的;

location: 搭配3xx状态码使用, 告诉客户端接下来要去哪里访问;

Cookie: 用于在客户端存储少量信息. 通常用于实现会话(session)的功能;

HTTP协议的知识点比较多，还是多看才能记住

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