《信息安全系统设计与实现》第十二周学习笔记

第13章 TCP/IP和网络编程

TCP/IP协议

具体来说，IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都属于 TCP/IP 协议。他们与 TCP 或 IP 的关系紧密，是互联网必不可少的组成部分。TCP/IP 一词泛指这些协议，因此，有时也称 TCP/IP 为网际协议群。

互联网进行通信时，需要相应的网络协议，TCP/IP 原本就是为使用互联网而开发制定的协议族。因此，互联网的协议就是 TCP/IP，TCP/IP 就是互联网的协议。

IP主机和IP地址

主机是支持TCP/IP协议的计算机或设备。每个主机由一个32位的IP地址来标识。为了方便起见32位的IP地址号通常用点记法表示，例如:134.121.64.1，其中各个字节用点号分开。
主机也可以用主机名来表示，如dnsleecwsuedu。实际上，应用程序通常使用主机名而不是IP地址。在这个意义上说，主机名就等同于IP地址，因为给定其中一个，我们可以通过DNS(域名系统)(RFC1341987RFC10351987)服务器找到另一个，它将IP地址转换为主机名，反之亦然。
IP地址分为两部分，即NetworkID字段和HostID字段。发往IP地址的数据包首先被发送到具有相同networkID的路由器。路由器将通过HostID将数据包转发到网络中的特定主机。每个主机都有一个本地主机名。localhost默认IP地址为127001。本地主机的链路层是一个回送虚拟设备，它将每个数据包路由回同一个localhost。

这个特性可以让我们在同一台计算机上运行TCP/IP应用程序而不需要实际连接到互联网。

IP协议

IP，在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守 IP协议就可以与因特网互连互通。IP地址具有唯一性，根据用户性质的不同，可以分为5类。另外，IP还有进入防护，知识产权，指针寄存器等含义。

IP数据包格式

UDP/TCP

• UDP（用户数据报协议）在IP上运行，用于发送/接收数据报。与IP类似，UDP不能保证可靠性，但是快速高效。ping是一个向目标主机发送带时间戳UDP包的应用程序。接收到一个pinging数据包后，目标主机将带有时间戳的UDP包回送给发送者，让发送者可以计算和显示往返时间。如果目标主机不存在或宕机，当TTL减小为0时，路由器将会丢弃pinging UDP数据包。在这种情况下，用户会发现目标主机没有任何响应。用户可以尝试再次ping，或者断定目标主机宕机。
• TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议，用于发送/接收数据流。TCP也可在IP 上运行，但它保证了可靠的数据传输。通常，UDP类似于发送邮件的USPS，而TCP类似于电话连接。

端口编号

应用程序=（主机IP,协议,端口号）

TCP/IP网络中的数据流

套接字编程

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family; 
    in_port_t sin_port; 
    struct in_addr sin_addr;
}；
struct in_addr {
    uint32_t s_addr；
}

套接字 API

• int套接字(int域，int类型，int协议)
  示例：

int udp_sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);:将会创建一个用于发送/接收UDP数据报的套接字。
int tcp_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);:将会创建一个用于发送/接收数据流的面向连接的TCP套接
字c

新创建的套接字没有任何相联地址c它必须与主机地址和端口号绑定，以识别接收主机或发送主机：这通过bind系统调用来完成。

• int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)
  bind()系统调用将addr指定的地址分配给文件描述符sockfd所引用的套接字addrlen 指定addr所指向地址结构的大小(以字节为单位)。对于用于联系其他UDP服务器主机的UDP套接字，必须绑定到客户机地址，允许服务器发回应答。对于用于接收客户机连接的TCP套接字，必须先将其绑定到服务器主机地址。
• UDP套接字使用scndto()/recvfrom()来发送/接收数据报。

TCP套接字

在创建套接字并将其绑定到服务器地址之后，TCP服务器使用listen()和acccpt()来接 收来自客户机的连接
int Iistcn(int sockfd, int backlog);
listen()将sockfd引用的套接字标记为将用于接收连入连接的套接字。backlog参数定义了等 待连接的最大队列长度。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, sockien_t *addrlen);
accept()系统调用与基于连接的套接字一起使用。它提取等待连接队列上的第一个连接请求 用于监听套接字sockfd,创建一个新的连接套接字，并返回一个引用该套接字的新文件描 述符，与客户机主机连接。在执行accept()系统调用时，TCP服务器阻塞，直到客户机通过 coimectO建立连接。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen t addrlen)；
connect()系统调用将文件描述符sockfd引用的套接字连接到addr指定的地址，addrlen参数 指定addr的大小。addr中的地址格式由套接字sockfd的地址空间决定。
如果套接字sockfd是SOCK_DGRAM类型，即UDP套接字，addr是发送数据报的默 认地址，也是接收数据报的唯一地址。这会限制UDP套接字与特定UDP主机的通信，但 实际上很少使用。所以对于UDP套接字来说，连接是可选的或不必要的。如果套接字是 SOCK_STREAM类型，即TCP套接字。

UDP回显服务器-客户机实践程序

server端代码

/**********TCPserver.c**********/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>

#define MAX  256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_PORT 1234
struct sockaddr_in server_addr;
int sock,r;

int client_init()
{
    printf("======= clinet init ==========\n"); 
    printf ("1 : create a TCP socket\n");
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if (sock<0)
    {
        printf("socket call failed\n"); exit(1);
    }
    printf("2 : fill server_addr with server's IP and P0RT#\n"); 
    server_addr.sin_family = AF_INET; 
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // localhost 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // server port number    
    printf("3 : connecting to server ....\n");
    r = connect (sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof (server_addr)); 
    if (r < 0)
    {
        printf("connect failed\n"); exit(3);
    }

    printf("4 : connected OK to\n");
    printf ("-------------------------------------------------\n");
    printf("Server hostname=%s PORT=%d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT); 
    printf ("-------------------------------------------------\n");
    printf("========= init done ==========\n");
}

int main()
{
    int n; 
    char line[MAX], ans[MAX];
    client_init();
    printf("***processing  loop *********\n");
    while (1)
    {
        printf("input a line :");
        bzero(line, MAX);
        fgets(line, MAX, stdin);
        line[strlen(line)-1] = 0;
        if (line[0]==0) 
            exit(0);
        n = write(sock,line,MAX);
        printf("client:wrote n=%d bytes;line=%s\n", n, line);
        n = read(sock,ans,MAX);
        printf("client:read n=%d bytes;line=%s\n", n, ans);
    }
}
    

client代码

/**********TCPserver.c**********/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>

#define MAX  256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 1234

struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
struct in_addr client_addr_tranform;
int  mysock, csock;
int  r, len, n;

int server_init ()
{
    printf("================== server init ======================\n"); // create a TCP socket by socket() syscall
    printf("1 : create a TCP STREAM socket\n");
    mysock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if (mysock < 0)
    {
        printf("socket call failed\n");
        exit(1);
    }
    printf("2 : fill server_addr with host IP and PORT# info\n");
    // initialize the server_addr structure
    server_addr.sin_family = AF_INET;	// for TCP/IP
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // This HOST IP 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);	// port number 1234
    printf("3 : bind socket to server address\n");
    r = bind(mysock,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr)); 
    if (r < 0)
    {
        printf("bind failed\n"); 
        exit(3);
    }
    printf(" hostname = %s port = %d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT); 
    printf("4 : server is listening ....\n");
    listen(mysock, 5); // queue length = 5
    printf("=================== init done =======================\n"); 
}

int main()
{
    char line[MAX];
    server_init();
    client_addr_tranform.s_addr = client_addr.sin_addr.s_addr;
    while(1)	// Try to accept a client request
    {
        printf("server： accepting new connection ....\n");
        // Try to accept a client connection as descriptor newsock 
        len = sizeof(client_addr);
        csock = accept(mysock, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
        if (csock < 0)
        {
            printf("server： accept error\n"); exit(1);
        }
        printf("server： accepted a client connection from\n");
        printf ("-----------------------------------------\n");
        printf("Clinet: IP=%s port=%d\n", inet_ntoa(client_addr_tranform), ntohs(client_addr.sin_port));
        printf ("-----------------------------------------\n");
        while(1) 
        {
            n = read(csock, line, MAX);
            if (n==0)
            {
                printf("server: client died, server loops\n"); close(csock);
                break; 
            }
            printf("server： read n=%d bytes; line=%s\n", n, line); // echo line to client
            n = write(csock, line, MAX);
            printf("server:wrote n=%d bytes； ECHO=%s\n", n, line); 
            printf("server:ready for next request\n");
        }
    }
}

TCP回显服务器-客户机实践代码

server代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>

#define MAX  256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 1234

struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
struct in_addr client_addr_tranform;
int  mysock, csock;
int  r, len, n;

int server_init ()
{
    printf("================== server init ======================\n"); // create a TCP socket by socket() syscall
    printf("1 : create a TCP STREAM socket\n");
    mysock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if (mysock < 0)
    {
        printf("socket call failed\n");
        exit(1);
    }
    printf("2 : fill server_addr with host IP and PORT# info\n");
    // initialize the server_addr structure
    server_addr.sin_family = AF_INET;	// for TCP/IP
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // This HOST IP 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);	// port number 1234
    printf("3 : bind socket to server address\n");
    r = bind(mysock,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr)); 
    if (r < 0)
    {
        printf("bind failed\n"); 
        exit(3);
    }
    printf(" hostname = %s port = %d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT); 
    printf("4 : server is listening ....\n");
    listen(mysock, 5); // queue length = 5
    printf("=================== init done =======================\n"); 
}

int main()
{
    char line[MAX];
    server_init();
    client_addr_tranform.s_addr = client_addr.sin_addr.s_addr;
    while(1)	// Try to accept a client request
    {
        printf("server： accepting new connection ....\n");
        // Try to accept a client connection as descriptor newsock 
        len = sizeof(client_addr);
        csock = accept(mysock, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
        if (csock < 0)
        {
            printf("server： accept error\n"); exit(1);
        }
        printf("server： accepted a client connection from\n");
        printf ("-----------------------------------------\n");
        printf("Clinet: IP=%s port=%d\n", inet_ntoa(client_addr_tranform), ntohs(client_addr.sin_port));
        printf ("-----------------------------------------\n");
        while(1) 
        {
            n = read(csock, line, MAX);
            if (n==0)
            {
                printf("server: client died, server loops\n"); close(csock);
                break; 
            }
            printf("server： read n=%d bytes; line=%s\n", n, line); // echo line to client
            n = write(csock, line, MAX);
            printf("server:wrote n=%d bytes； ECHO=%s\n", n, line); 
            printf("server:ready for next request\n");
        }
    }
}

client代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>

#define MAX  256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_PORT 1234
struct sockaddr_in server_addr;
int sock,r;

int client_init()
{
    printf("======= clinet init ==========\n"); 
    printf ("1 : create a TCP socket\n");
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if (sock<0)
    {
        printf("socket call failed\n"); exit(1);
    }
    printf("2 : fill server_addr with server's IP and P0RT#\n"); 
    server_addr.sin_family = AF_INET; 
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // localhost 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // server port number    
    printf("3 : connecting to server ....\n");
    r = connect (sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof (server_addr)); 
    if (r < 0)
    {
        printf("connect failed\n"); exit(3);
    }

    printf("4 : connected OK to\n");
    printf ("-------------------------------------------------\n");
    printf("Server hostname=%s PORT=%d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT); 
    printf ("-------------------------------------------------\n");
    printf("========= init done ==========\n");
}

int main()
{
    int n; 
    char line[MAX], ans[MAX];
    client_init();
    printf("***processing  loop *********\n");
    while (1)
    {
        printf("input a line :");
        bzero(line, MAX);
        fgets(line, MAX, stdin);
        line[strlen(line)-1] = 0;
        if (line[0]==0) 
            exit(0);
        n = write(sock,line,MAX);
        printf("client:wrote n=%d bytes;line=%s\n", n, line);
        n = read(sock,ans,MAX);
        printf("client:read n=%d bytes;line=%s\n", n, ans);
    }
}

苏格拉底挑战

• 套接字API
  
  
  
  
  

• IP数据包格式