linux-----网络编程
虚拟专用网络：virtual private network,VPN
安全shell：secure shell，SSH
1. 计算机网络基础
1.1 模型
（1）OSI模型
（2）TCP/IP模型
网络接口层：运行网络接口层协议，进行IP数据报接收、发送
网络IP层：提供无连接的网络层服务，进行路由选择、流量控制、拥塞控制
传输层：TCP、UDP协议，建立端到端的连接
应用层：数据处理，进程间通信
1.2 有连接、无连接服务
面向连接：如TCP，transmission control protocol SCTP，stream control transmission protocol
建立连接、数据传输、释放连接
每一个数据分组中都带有该分组数据的源IP和目的IP地址
面向连接的服务是可靠的
协议复杂
无连接的： 如UDP，user datagram protocol
不需要建立、释放连接
可靠性差， 尽最大努力交付
协议简单、通信效率高
（3）其他常见协议
2. UDP 用户数据报协议
往UDP套接字写入消息，消息封装成UDP数据报，再封装成IP数据报，然后发送。
不保证最终能到达、不保证达到的先后顺序、不保证每个数据报只达到一次
到达后校验、检测有错误，或中途丢失，源端也不重传
每个UDP数据报有一个长度（TCP是字节流协议，没有记录边界）
2.1 用户数据报格式
首部字段、数据字段
（1）首部字段
长度：首部长度和数据部分长度
校验和：保证数据安全
伪首部：12字节，在UDP用户数据报前，用于计算校验和
源IP：4字节 目的IP：4字节
0:1字节
协议：1字节，UDP协议号为17
数据报长度：2字节
3. TCP
面向连接
可靠的全双工信道
（1）TCP报文段首部
序号：本报文段发送的数据中第一个字节的序号（例，报文段A序号为1000，报文段长度100字节，则下一个报文段的序号为1100）
确认号：期望收到对方的下一个报文段的 数据的第一个字节的序号（例，已经正确收到了序号为2000，长度100的报文段，则2000~2099都已收到，期望下一个是2100）
4字节，能标记4GB的数据
数据偏移： 4bit，而数据偏移的单位是4字节，所以能表示最大64字节偏移量
保留：值为0
6个bit位：URG：紧急bit，为1表示报文段中有紧急数据，应尽快传送
ACK：确认bit，建立连接时使用
PSH：推送bit，为1时发送端会立即将该报文段发送出去，接收端在接收到推送bit为1的报文段时，会尽快送接收缓存中取出来交给应用进程
RST：复位bit，为1表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接重新建立连接
SYN：同步bit，建立连接时用来同步序号
FIN：终止bit，用来释放连接。为1时，表示此报文段发送的数据已经发送完毕，并要求释放连接
窗口：控制对方发送的数据量，单位字节。用于流量控制、拥塞控制
校验和：检验首部和数据部分。计算时要在TCP报文段前加12字节的伪首部（UDP协议号17,TCP协议号6）
选项：见（5）
填充：0
（2）窗口
发送窗口：数据通信过程中发送端一次可以发送数据的最大字节数
通信过程中，接收端可根据情况动态调整发送端窗口的大小
通知窗口：接收端根据其接收TCP报文段的能力而设定的窗口大小
拥塞窗口：发送端根据网络拥塞情况而设定的窗口的大小
一般发送端发送窗口大小取通知窗口和拥塞窗口中的较小者
（3）TCP的三次握手
假设一个客户端A和服务器B
服务器B被动打开，为接收用户进程请求做准备（socke、bind、listen）
客户端发起主动打开（connect），客户端等的TCP发送连接请求报文段，报文段中首部 SYN 为1，序号为J（后面传送数据时第一个字节的序号就是J+1）
服务器若同意建立连接，发送一个确认报文段，ACK为1，确认号为J+1，SYN为1，自己选择一个序号K，即序号设为K
客户端收到服务器的确认报文段，向服务器发送报文段，序号为K+1。连接建立
（4）TCP四次挥手
客户端主动关闭（close），发出连接释放请求报文段。 FIN为1，ACK为0，序号设为收到数据最后字节序号加1， SEQ设为M
服务器收到FIN执行被动关闭，发出确认报文。ACK=1，确认号ack设为M+1（表示已收到客户端的链接释放请求报文，服务器停止接收从客户端发来的数据）
服务器发送连接释放报文，FIN为1，SEQ为N，ACK为1，ack为M+1
客户端收到服务器的链接释放报文，发送确认报文。ACK为1，ack为N+1
（5）TCP选项
--------------------------------------套接字-----------------------------------
1. 套接字结构
IPv4的：
1 //IPv4套接字结构 2 struct in_addr { 3 in_addr_t s_addr; //32位 IPv4地址，网络字节序 4 }; 5 6 struct sockaddr_in { 7 sa_family_t sin_family; //16位地址族 AF_INET 8 in_port_t sin_port; //16位 TCP或UDP的端口号，网络字节序 9 struct in_addr sin_addr; //32位 10 char sin_zero[8];//填充'0' 11 };
IPv6的：
1 struct in6_addr { 2 uint8_t s6_addr[16]; //IPv6地址 3 }; 4 struct sockaddr_in6 { 5 sa_family_t sin6_family; //AF_INET6 6 in_port_t sin6_port; 7 uint32_t sin6_flowinfo; 8 struct in6_addr sin6_addr; 9 uint32_t sin6_scope_id; 10 };
sockaddr_in或sockaddr_in都被转换成通用的结构
通用的结构：同struct sockaddr_in，也是16字节
struct sockaddr { sa_family_t sa_family; // char sa_data[14]; // };
新的套接字地址结构：<netinet/in.h>
1 struct sockaddr_storage { 2 uint8_t ss_len; //这个结构体的大小 3 sa_family_t ss_family; //地址族 4 .... 5 6 };
2. 字节序
两个进程通信时，先将数据转换成网络字节序，接受到数据后，再转换成本地主机字节序
hton表示主机字节序转网络字节序
ntoh表示网络字节序转本地主机字节序
3. 地址形式转换
（1）
inet_aton："192.168.0.1"等类似形式字符串转换为网络字节序的IPv4地址存到struct in_addr里
有效返回1；无效返回0
inet_ntoa：网络字节序IPv4地址（struct in_addr里面的）转换成字符串形式
inet_addr：字符串形式IP地址直接转换成网络字节序的地址并返回该数值
（2）适合IPv4和IPv6的
inet_pton：af是AF_INET或AF_INET6
可用来转换IPv4、IPv6地址
使用：
1 struct sockaddr_in addr; 2 inet_ntop(AF_INET,&addr.sin_addr,str,sizeof(str)); 3 4 struct sockaddr_in6 addr6; 5 inet_ntop(AF_INET6,&addr6.sin6_addr,str,sizeof(str));
4. 获取主机信息
/etc/hosts /etc/services
（1）主机信息结构体
1 struct hostent { 2 char *h_name; //主机名 3 char **h_aliases; //主机别名 4 int h_addrtype; //地址类型 5 int h_length; //地址长度，单位字节 IPv4是4字节,IPv6是16字节 6 char **h_addr_list; //地址 7 ... 8 };
（2）
得到一个struct hostent指针，指向一块静态内存，每次调用这个函数该缓冲区都会被覆盖
endhostent会关闭/etc/hosts文件
5. 查询服务与对应的端口号
1 struct servent { 2 char *s_name; //服务名 3 char **s_aliases; //服务别名 4 int s_port; //端口号 5 char *s_proto; //协议名字 6 ... 7 };
6. 域名与IP
1 struct adddrinfo { 2 int ai_flags; 3 int ai_family; 4 int ai_socktype; 5 int ai_protocol; 6 socklen_t ai_addrlen; 7 struct sockaddr *ai_addr; 8 char *ai_canonname; 9 struct addrinfo *ai_next; 10 };
----------------------------------------------------------------套接字编程-----------------------------------------------------------------------------
TCP示意图：
1. 创建、销毁套接字描述符
domain：
AF_INET：IPv4协议
AF_INET6：IPv6协议
AF_UNIX：非网络环境的进程通信，Unix域协议
type：
SOCK_STREAM：有序，面向连接字节流。默认协议TCP
SOCK_DGRAM：长度固定，无连接报文。 默认协议UDP
SOCK_SEQPACKET：长度固定，面向连接的报文。默认协议SCTP
SOCK_RAM：原始套接字。绕过协议直接访问网络层。
2. 套接字绑定地址信息
服务器套接字绑定IP地址、端口号等
addr：实际使用struct sockaddr_in或struct sockaddr_in6（强制转换为struct sockaddr）
IP地址问题：如果只想本机客户端访问本机的服务器，地址选择 "127.0.0.1" 先用aton、pton转换，再转成网络字节序htonl
如果只想局域网内访问，可使用内网地址如 "192.168.1.12"
如果想被公网访问，则使用 "0.0.0.0"或宏 INADDR_ANY、IN6ADDR_ANY
端口：若参数取0，则由内核为套接字选择临时端口号 可通过getsockname获取
获取本机套接字上关联的地址信息：
套接字已和对端连接，通过getpeername获取对方的地址信息：
3. 开始监听
TCP服务器调用，作用：
①socket创建一个套接字时，它默认是一个主动的套接字（一个将发起connect的客户套接字），调用listen后转换成被动套接字，指示内核应接收指向该套接字的连接请求。套接字从CLOSED状态
变为LISTEN状态。
②listen函数的第二个参数规定了内核应为该套接字排队的最大连接数
内核为任一给定的监听套接字维护两个队列：
①未完成连接队列：每个这样的SYN分节对应一项，已由客户发出并到达服务器，服务器正在等待完成TCP三路握手过程，这些套接字处于SYN_RCVD状态
②已完成连接队列：每个已完成三路握手的客户对应一项，这些套接字处于ESTABLISHED状态
4. 开始接受请求
开始监听之和，调用accept开始一个接受请求，已完成队列的对头将返回给进程。如果已完成队列为空，进程睡眠（当套接字设为默认的阻塞方式时）
成功返回描述符；失败-1
addr：返回已连接的对端进程（客户端的）协议地址
accept成功时，返回要给内核创建的新描述符，与相应的客户TCP连接。监听套接字在服务器的整个运行期间有效，而已连接套接字在完成对应客户的服务后关闭。
5. 客户端发起连接
addr：里面有服务器的IP和端口号
对于TCP套接字，客户端调用connect将发起TCP的三路握手过程，连接建立或出错才返回。
6. 数据发送和接收
（1）数据发送
sendto常用语无连接通信，如UDP
sendmsg：可用于多重缓冲区发送
1 struct msghdr { 2 void *msg_name; //可选地址 3 socklen_t msg_namelen; //地址大小 4 struct iovec *msg_iov; //I/O缓冲区数组 5 size_t msg_iovlen; //数组元素个数 6 void *msg_control; //辅助数据 7 size_t msg_controllen; // 8 int msg_flags; 9 };
（2）接收数据
recvfrom常用于无连接通信，如UDP，可用来获取发送方地址端口等信息
7. 简单示例
服务器：
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <string.h> 4 #include <unistd.h> 5 #include <sys/types.h> 6 #include <sys/socket.h> 7 #include <netinet/in.h> 8 9 int main() 10 { 11 //1.创建socket 12 //IPv4、TCP 13 int listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); 14 if(listenfd == -1) { 15 printf("socket error\n"); 16 exit(1); 17 } 18 19 //2.初始化服务器地址、端口 20 struct sockaddr_in bindaddr; 21 bindaddr.sin_family = AF_INET; 22 bindaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IPv4地址 23 /* 24 char ipaddr[16] = "192.168.0.110"; 25 bindaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ipaddr); 26 */ 27 bindaddr.sin_port = htons(4000); //指定端口号 28 if(bind(listenfd,(struct sockaddr *)&bindaddr,sizeof(bindaddr)) == -1) { 29 printf("bind error\n"); 30 close(listenfd); 31 exit(1); 32 } 33 //3.启动监听 34 if(listen(listenfd,2)==-1) { 35 printf("listen error\n"); 36 exit(1); 37 } 38 printf("listening...\n"); 39 //4.接收连接请求 40 while(1) { 41 int clientfd; 42 struct sockaddr_in clientaddr; 43 socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in); 44 clientfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)&clientaddr,&addrlen); 45 if(clientfd == -1) { 46 continue; 47 } 48 char recvBuf[40] = {0}; 49 int ret = recv(clientfd,recvBuf,20,0); 50 if(ret>0) { 51 //打印收到的信息 52 printf("Get:%s\n",recvBuf); 53 //给客户端回信息，表示我已收到 54 strcat(recvBuf,".From server"); 55 ret = send(clientfd,recvBuf,strlen(recvBuf),0); 56 } 57 /* 58 pid_t pid; 59 if((pid=fork())==0) { 60 //子进程处理连接 61 close(listenfd); 62 char recvBuf[40] = {0}; 63 接收发送数据 64 close(clientfd); 65 exit(0); 66 } 67 */ 68 close(clientfd); 69 70 } 71 close(listenfd); 72 return 0; 73 }
客户端：
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <string.h> 4 #include <unistd.h> 5 #include <sys/types.h> 6 #include <sys/socket.h> 7 #include <netinet/in.h> 8 #include <arpa/inet.h> 9 10 int main() 11 { 12 //1.创建socket 13 //IPv4、TCP 14 int connfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); 15 if(connfd == -1) { 16 printf("socket error\n"); 17 exit(1); 18 } 19 //2.向服务器发起连接 20 struct sockaddr_in serveraddr; 21 serveraddr.sin_family = AF_INET; 22 serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.110"); 23 serveraddr.sin_port = htons(4000); 24 if(connect(connfd,(struct sockaddr *)&serveraddr,sizeof(serveraddr))==-1) { 25 printf("connect error\n"); 26 close(connfd); 27 exit(1); 28 } 29 //3.向服务器发送数据 30 char sendBuf[40] = "Hello,this is client"; 31 int ret = send(connfd,sendBuf,strlen(sendBuf),0); 32 if (ret != strlen(sendBuf)) { 33 printf("send error\n"); 34 close(connfd); 35 exit(1); 36 } 37 //4.从服务器接收数据，接收完后就退出 38 memset(sendBuf,0,sizeof(sendBuf)); 39 ret = recv(connfd,sendBuf,40,0); 40 if(ret > 0) { 41 printf("Recv data from server:%s\n",sendBuf); 42 } 43 close(connfd); 44 return 0; 45 }
8. 简单的多进程并发服务器
服务器父进程负责监听请求，每accept到一个请求就创建子进程，由子进程负责数据交互。
要注意子进程运行结束后对其资源的回收（对僵死进程的清理）
修改while(1)部分：
1 while(1) { 2 int clientfd; 3 struct sockaddr_in clientaddr; 4 socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in); 5 clientfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)&clientaddr,&addrlen); 6 if(clientfd == -1) { 7 continue; 8 } 9 pid_t pid; 10 if((pid=fork())==0) { 11 //子进程处理连接 12 close(listenfd); 13 char recvBuf[40] = {0}; 14 int ret = recv(clientfd,recvBuf,40,0); 15 if(ret>0) { 16 //打印收到的信息 17 printf("Get:%s\n",recvBuf); 18 //给客户端回信息，表示我已收到 19 strcat(recvBuf,".From server"); 20 ret = send(clientfd,recvBuf,strlen(recvBuf),0); 21 } 22 close(clientfd); 23 exit(0); 24 } 25 close(clientfd); 26 }
----------------------------------------套接字编程-----------------------------------------------------
UDP示意图：
服务器没有listen、accept，客户端少了bind和connect
1. 如果给客户端UDP套接字调用connect
对于调用了connect的已连接UDP套接字：
①不能给输出操作指定目的IP和端口，则只能用send、write或将sendto的相关参数设为NULL。写到已连接UDP套接字上的任何内容都将自动发送到connect指定的IP端口上去
②可用read、recv、recvmsg获取信息，没必要用recvfrom（假设客户套接字A和服务器套接字B建立了UDP连接，则从客户套接字C发送到B的数据报不会被B接收，现在的B只能和已建立连接的
A交换数据报）(是只能与A所在的IP地址交换数据报)
③已连接UDP套接字引发的异步错误会返回给它们所在的进程，未连接UDP套接字不会接收任何异步错误
2. 简单无连接UDP示例
服务器：
1 //UDP服务器 2 #include <stdio.h> 3 #include <stdlib.h> 4 #include <string.h> 5 #include <unistd.h> 6 #include <sys/types.h> 7 #include <sys/socket.h> 8 #include <netinet/in.h> 9 #include <arpa/inet.h> 10 11 int main() 12 { 13 //1.创建套接字 14 int listenfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); 15 if(listenfd == -1) { 16 printf("socket error\n"); 17 exit(1); 18 } 19 //2.初始化服务器地址和端口 20 struct sockaddr_in bindaddr; 21 bindaddr.sin_family = AF_INET; 22 bindaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IPv4地址 23 bindaddr.sin_port = htons(4000); 24 if(bind(listenfd,(struct sockaddr *)&bindaddr,sizeof(bindaddr)) == -1) { 25 printf("bind error\n"); 26 close(listenfd); 27 exit(1); 28 } 29 //3.处理请求 30 struct sockaddr_in clientaddr; 31 socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in); 32 char recvBuf[40] = {0}; 33 while(1) { 34 memset(recvBuf,0,sizeof(recvBuf)); 35 int n = recvfrom(listenfd,recvBuf,40,0,(struct sockaddr *)&clientaddr,&addrlen); 36 if(n>0) { 37 char clientip[16] = {0}; 38 inet_ntop(AF_INET,&clientaddr.sin_addr,clientip,16); 39 printf("Get data from:%s:%d\n",clientip,ntohs(clientaddr.sin_port)); 40 printf("Content is:%s\n",recvBuf); 41 strcat(recvBuf,".From server."); 42 n = sendto(listenfd,recvBuf,strlen(recvBuf),0,(struct sockaddr *)&clientaddr,addrlen); 43 } 44 } 45 close(listenfd); 46 return 0; 47 }
客户端：
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <string.h> 4 #include <unistd.h> 5 #include <sys/types.h> 6 #include <sys/socket.h> 7 #include <netinet/in.h> 8 #include <arpa/inet.h> 9 10 int main() 11 { 12 //1.创建socket 13 //IPv4、UDP 14 int connfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); 15 if(connfd == -1) { 16 printf("socket error\n"); 17 exit(1); 18 } 19 //2.向服务器发送数据 20 char sendBuf[40] = "Hello,this is client"; 21 struct sockaddr_in serveraddr; 22 serveraddr.sin_family = AF_INET; 23 serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.110"); 24 serveraddr.sin_port = htons(4000); 25 int n = sendto(connfd,sendBuf,strlen(sendBuf),0,(struct sockaddr *)&serveraddr,sizeof(serveraddr)); 26 if (n != strlen(sendBuf)) { 27 printf("send error\n"); 28 close(connfd); 29 exit(1); 30 } 31 //从服务器接收数据 32 struct sockaddr_in serveraddr2; 33 socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in); 34 memset(sendBuf,0,sizeof(sendBuf)); 35 n = recvfrom(connfd,sendBuf,40,0,(struct sockaddr *)&serveraddr2,&addrlen); 36 if(n > 0) { 37 printf("Recv data from server:%s\n",sendBuf); 38 } 39 close(connfd); 40 return 0; 41 }
