Linux 系统应用网络编程一（基础篇）

Linux 系统应用网络编程一（基础篇）

一、网络体系结构

1.1、OSI模型和TCP/IP 模型

       网络体系结构指的是网络的分层结构以及每层使用的协议的集合。其中最著名的就是OSI协议参考模型，他是基于国际标准化组织（OSI）的建议发展起来的。它分为7个层次：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层及物理层。

这个7层的协议模型规定的非常细致和完善，但在实际中没有被广泛的使用，其中最重要的原因之一就是它过于复杂。尽管如此，它仍是此后很多协议模型的基础。与此相区别的TCP/IP模型将OSI 的7层协议模型简化为4层，从而更有利于实现和高效通信。

TCP/IP 参考模型和OSI参考模型的对应关系如下：

下面具体讲解各层在TCP/IP 整体架构中的作用。

1）网络接口层

      网络接口层（Network Interface Layer）是TCP/IP的最底层，负责将二进制流转化为数据帧，并进行数据帧的发送和接收。数据帧是网络传输的基本单元；

2）网络层

      网络层（Internet Layer）负责在主机之间的通信中选择数据包的传输路径，即路由。当网络层接收到传输层的请求后，传输某个具有目的地址信息的分组。该层把分组封装在IP数据包中，填入数据包的首部，使用路由算法来确定是直接交付数据包，还是把它传递给路由器，最后把数据包交给适当的网络接口进行传输。

       网络层还要负责处理传入的数据包，检验其有效性，使用路由算法来决定应对该数据包进行本地处理还是应该转发。

       如果数据包的目的机处于本机所在的网络，该层软件就回去出数据包的首部，再选择适当的传输层协议来处理这个分组。最后，网络层还要根据需要发出和接手ICMP（Internet控制报文协议）差错和控制报文。

3）传输层

      传输层（Transport Layer）负责实现应用程序之间的通信服务，这种通信又叫做端到端通信。传输层要系统地管理信息的流动，还要提供可靠的传输服务，以确保数据到达无差错、无乱序。为了达到这个目的，传输层协议软件要进行协商，让接收方会送确认信息及让发送方重发丢失的分组。传输层协议软件把要传输的数据流分为分组，把每个分组连同目的地址交给网络层去发送。

4）应用层

      应用层（Application Layer）是分层模型的最高层。应用程序使用相应的应用层协议，把封装好的数据提交个传输层或是从传输层接收数据并处理。

    

1.2、TCP/IP协议

      TCP/IP是“transmission Control Protocol/Internet Protocol”的简写，中文译名为传输控制协议/互联网络协议）协议， TCP/IP（传输控制协议/网间协议）是一种网络通信协议，它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式。TCP/IP是INTERNET的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。在数据传送中，可以形象地理解为有两个信封，TCP和IP就像是信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，再将TCP信封塞入IP大信封，发送上网。在接受端，一个TCP软件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会要求重发。因此，TCP/IP在INTERNET中几乎可以无差错地传送数据。 对普通用户来说，并不需要了解网络协议的整个结构，仅需了解IP的地址格式，即可与世界各地进行网络通信。

TCP/IP协议通信模型

 TCP/IP结构

 

1.3、TCP和UDP

1）TCP

      TCP向应用层提供可靠的面向链接的数据流传输服务。它能提供可靠性通信（数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达）。

      通过源/目的的IP可以唯一地区分网络中两个设备，再通过源/目的的端口可以唯一地区分网络中两个通信的应用程序。

三次握手协议

第一次握手：

• 客户端向服务器发送一个SYN（同步序列编号）报文，并包含自己的初始序号Seq=x。此时，客户端进入SYN_SENT（同步已发送）状态，等待服务器的确认。

第二次握手：

• 服务器收到客户端的SYN报文后，确认客户端的SYN（Ack=x+1），表示收到了客户端的序号x，并将其值加1作为自己的确认号。同时，服务器也发送一个SYN报文，并包含自己的初始序号Seq=y。此时，SYN和ACK标志位都被设置为1，表示这是一个TCP连接请求确认报文。服务器进入SYN_RECV（同步已接收）状态。

第三次握手：

• 客户端收到服务器的SYN+ACK报文后，确认服务器的SYN（Ack=y+1），表示收到了服务器的序号y，并将其值加1作为自己的确认号。此时，客户端发送一个普通的ACK报文给服务器，标志位ACK被设置为1，序号Seq=x+1（因为客户端已经发送过一个SYN报文，所以不消耗序号），确认号Ack=y+1。客户端进入ESTABLISHED（连接已建立）状态。

连接建立：

• 服务器收到客户端的ACK报文后，确认连接已经建立，也进入ESTABLISHED状态。此时，TCP连接已经成功建立，双方可以开始传输数据。

四次挥手协议

第一次挥手：

• 当客户端想要断开连接时，它会发送一个FIN报文给服务器，其中Seq字段为客户端的当前序列号，Ack字段为服务器最近一次发送数据的确认号。此时，客户端进入FIN_WAIT_1状态，等待服务器的确认。

第二次挥手：

• 服务器收到客户端的FIN报文后，会发送一个ACK报文给客户端，其中Seq字段为服务器的当前序列号，Ack字段为客户端FIN报文的序列号加1（即x+1），表示收到了客户端的FIN报文。此时，服务器进入CLOSE_WAIT状态，等待应用程序关闭连接。同时，客户端收到服务器的ACK报文后，进入FIN_WAIT_2状态。

第三次挥手：

• 当服务器准备好断开连接时，它会发送一个FIN报文给客户端，其中Seq字段为服务器的当前序列号，Ack字段保持不变（即x+1）。此时，服务器进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认。

第四次挥手：

• 客户端收到服务器的FIN报文后，会发送一个ACK报文给服务器，其中Seq字段为客户端的当前序列号（即FIN报文之后的序列号，x+1），Ack字段为服务器FIN报文的序列号加1（即y+1）。此时，客户端进入TIME_WAIT状态，等待2MSL（最大报文段生存时间）时间，以确保服务器收到最后一个ACK报文。服务器收到客户端的ACK报文后，关闭连接，进入CLOSED状态。客户端在等待2MSL时间后，如果没有收到服务器的重传FIN报文，则认为连接已经成功关闭，也进入CLOSED状态。

2）UDP

     UDP即用户数据报协议，是一种面向无连接的不可靠传输协议，具有资源消耗少、处理速度快的特点。

适用情况：

发送小尺寸数据(如对DNS服务器进行IP地址查询时)；；

流媒体等网络多媒体服务中通常会采用UDP方式进行实时数据传输；

1.4、IP地址

      IP地址是指互联网协议地址（英语：Internet Protocol Address，又译为网际协议地址），是IP Address的缩写。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

1）IP地址类型

公有地址

公有地址（Public address）由Inter NIC（Internet Network Information Center因特网信息中心）负责。这些IP地址分配给注册并向Inter NIC提出申请的组织机构。通过它直接访问因特网。

私有地址

私有地址（Private address）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。
以下列出留用的内部私有地址

A类 10.0.0.0--10.255.255.255
B类 172.16.0.0--172.31.255.255
C类 192.168.0.0--192.168.255.255

2）IP地址分类

初设计互联网络时，为了便于寻址以及层次化构造网络，每个IP地址包括两个标识码（ID），即网络ID和主机ID。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络ID，网络上的一个主机（包括网络上工作站，服务器和路由器等）有一个主机ID与其对应。Internet委员会定义了5种IP地址类型以适合不同容量的网络，即A类~E类。
其中A、B、C3类（如下表格）由InternetNIC在全球范围内统一分配，D、E类为特殊地址。

类别	最大网络数	IP地址范围	最大主机数	私有IP地址范围
A	126（2^7-2)	0.0.0.0-127.255.255.255	16777214	10.0.0.0-10.255.255.255
B	16384(2^14)	128.0.0.0-191.255.255.255	65534	172.16.0.0-172.31.255.255
C	2097152(2^21)	192.0.0.0-223.255.255.255	254	192.168.0.0-192.168.255.255

A类IP地址

一个A类IP地址是指， 在IP地址的四段号码中，第一段号码为网络号码，剩下的三段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话，A类IP地址就由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”。A类IP地址中网络的标识长度为8位，主机标识的长度为24位，A类网络地址数量较少，有126个网络，每个网络可以容纳主机数达1600多万台。
A类IP地址 地址范围1.0.0.0到127.255.255.255[1]  （二进制表示为：00000001 00000000 00000000 00000000 - 01111110 11111111 11111111 11111111）。最后一个是广播地址。
A类IP地址的子网掩码为255.0.0.0，每个网络支持的最大主机数为256的3次方-2=16777214台。

B类IP地址

一个B类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，前两段号码为网络号码。如果用二进制表示IP地址的话，B类IP地址就由2字节的网络地址和2字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”。B类IP地址中网络的标识长度为16位，主机标识的长度为16位，B类网络地址适用于中等规模的网络，有16384个网络，每个网络所能容纳的计算机数为6万多台。
B类IP地址地址范围128.0.0.0-191.255.255.255[3]  （二进制表示为：10000000 00000000 00000000 00000000----10111111 11111111 11111111 11111111）。 最后一个是广播地址。
B类IP地址的子网掩码为255.255.0.0，每个网络支持的最大主机数为256的2次方-2=65534台。

C类IP地址

一个C类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，前三段号码为网络号码，剩下的一段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话，C类IP地址就由3字节的网络地址和1字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。C类IP地址中网络的标识长度为24位，主机标识的长度为8位，C类网络地址数量较多，有209万余个网络。适用于小规模的局域网络，每个网络最多只能包含254台计算机。
C类IP地址范围192.0.0.0-223.255.255.255[3]  （二进制表示为: 11000000 00000000 00000000 00000000 - 11011111 11111111 11111111 11111111）。
C类IP地址的子网掩码为255.255.255.0，每个网络支持的最大主机数为256-2=254台。