网络编程的一些理论

参考自《VC++深入详解》

  这是我在看书时记录下来的东西。

 注：下面的Socket其实都应该是socket

 

第14章网络编程

 

Socket是连接应用程序与网络驱动程序的桥梁，Socket在应用程序中创建，通过绑定与驱动程序建立关系。

此后，应用程序给Socket的数据，由Socket交给驱动程序向网络上发送出去。

计算机从网络上收到与该Socket绑定的IP地址和端口号相关的数据后，由驱动程序交给Socket，应用程序便可从该Socket中提取接收到的数据。

 

14.1 计算机网络基本知识。

1，最简单的网络形式是由两台计算机组成，就酱

2，网络上主机间通信需要知道另一主机的名字。在Internet上用一个称为IP地址（4个字节）的整数来标识网络设备。

在Internet上，两台主机要通信，双方必须遵守约定的规则，称为协议。

计算机中运行着很多网络通信程序（迅雷、酷狗、浏览器等），要怎么区分呢？端口号：标识在计算机上运行的每一个网络通信程序。所以，指定IP外，还要指定端口号。

IP地址相当于总机号码，而端口号相当于分机号码。

 

14.1.1 IP地址

IP网络中每台主机必须有唯一的IP地址

IP地址是一个逻辑地址

因特网上的IP地址具有全球唯一性

32位，4字节。常用点分十进制表示，例如：192.168.0.1（每个字节用十进制整数来表示） 

注：127.0.0.1 称为是回送地址，指本地机，一般用来测试使用

 

14.1.2 协议  P533

为进行网络中的数据交换而建立的规则，标准或约定

不同层具有各自不同的协议。

 

14.1.5 ISO/OSI 七层参考模型

1，ISO国际标准化组织提出来OSI七层参考模型，将网络的不同功能划分为7层。如下图

从低到高各层的功能分别如下所述：

（1） 物理层：提供二进制传输，确定在通信信道上如何传输比特流

（2） 数据链路层：提供介质访问，加强物理层的传输功能，建立一条无差错的传输线路

（3） 网络层：提供IP寻址和路由。因为在网络上数据可以经由多条线路到达目的地，网络层负责找出最佳的传输线路

（4） 传输层：为源主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务，隔离网络的上下层协议，使得网络应用与下层协议无关

（5） 会话层：在两个相互通信的应用程序之间建立、组织和协调其相互之间的通信

（6） 表示层：处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义。如有必要，可使用一种通用的数据表示格式，在多种数据表示之间进行切换。

（7） 应用层：为用户的网络应用程序提供网络通信的服务

应注意一下几点：

（1） OSI七层参考模型并不是物理实体存在这七层，这只是一个功能的划分，是一个抽象的网络参考模型

（2） 在进行一个网络通信时，每一层为本次通信提供本层的服务。通信实体的对等层之间不允许直接通信

（3） 各层之间是严格单向依赖

（4） 上层使用下层提供的服务 – Service user

（5） 下层向上层提供服务 – Service provider

 

2，通信时数据传输的过程：在两个通信实体进行通信时，应用层所发出的数据经过表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、最终到达物理层，在该层通过物理线路传输给另外一个实体的物理层。

然后，数据再依次向上传递，传递给另一个实体的应用层。

 

3，对等层通信的实质就是： 对等层实体之间虚拟通信。下层向上层提供服务，实际通信在最底层完成。

干货：对等通信peer-to-peer communication，为了使数据分组从源传送到目的地，源端OSI模型的每一层都必须与目的端的对等层进行通信，这种通信方式称为对等层通信。
在这一过程中，每一层的协议在对等层之间交换信息，该信息成为协议数据单元（PDU）。
简单来理解就是这样，假设主机A要和主机B通信。A的应用层只能与B的应用层交换信息，而不能与B的其他层（比如传输层）交换信息。 

 

4，OSI7层参考模型中的应用层、传输层和网络层所用的协议：

（1） 应用层：远程登录协议Telnet，文件传输协议FTP（下载文件），超文本传输协议HTTP（浏览网页），

域名服务DNS（网址就是域名），简单邮件传输协议SMTP（发送邮件），邮局协议POP3（收取邮件）。

（2） 传输层：传输控制协议TCP：面向连接的可靠的传输协议，通信时要通过三步握手以建立通信双方的连接。

用户数据报协议UDP：无连接、不可靠的传输协议。不需要建立连接，可能会丢失数据，实时性较高。

（3） 网络层：网络协议IP、Internet互联网控制报文协议ICMP，Internet组管理协议IGMP。

 

14.1.6 数据封装

1，往另外一台计算机发送数据，首先要将该数据打包打包的过程称为封装。

2，封装就是在数据前面加上特定的协议头部，例如：用TCP协议传时，数据到传输层时，就会加上TCP协议头，在到达网络层时，在其前面加上IP协议头。

3，OSI参考模型中，对等协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元（PDU）。

4，为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加入本层的头部（有点还要加尾部，如数据链路层）。头部的数据中含有数据传输所需的控制信息。

 

14.1.7 TCP/IP模型

1，起源于美国国防部高级研究规划署的一项研究计划，现在。已经称为Internet上通信的工业标准。

2，OSI参考模型比较复杂，目前应用较多的是TCP/IP模型，该模型包含4个层次：  应用层   传输层   网络层   网络接口层

14.1.8 端口

1，端口是一种抽象的软件结构（包括一些数据结构和I/O缓冲区）。应用程序通过系统调用与某端口建立连接（binding）后，传输层传给该端口的数据都被相应的进程所接收。

相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出。

 

2，端口用一个整数型标识符来表示，即端口号。（0 – 65535，我们在编写网络应用程序时，要为程序指定1024以上的端口号）。

 

3，端口号跟协议相关，TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块，因此各自的端口号也相互独立。

也就是说基于TCP和UDP协议的不同的网络应用程序，它们可以拥有相同的端口号。

 

14.1.9 套接字的引入

1，伯克利大学推出一种应用程序访问通信协议的操作系统调用套接字。Socket的出现，使程序员可以很方便的访问TCP/IP，从而开发各种网络应用的程序。

2，套接字存在于通信区域中。通信区域也叫地址族，是一个抽象的概念，主要用于将通过套接字通信的进程的共有特性综合在一起。套接字通常只于同一区域的套接字交换数据。

Windows Socket只支持一个通信区域：网际域（AF_INET），这个域被使用网际协议簇通信的进程使用。

 

14.1.10 网络字节顺序

1，小端模式：低位存在低地址。（低位先存）

2，大端模式：高位存在低地址。（高位先存）

3，基于Inter的CPU，我们常用的PC机采用的是小端模式，为了保证数据的正确性，在网络协议中需要指定网络字节顺序。

4，TCP/IP协议使用16位整数和32位整数的高位先存格式（大端模式）。

5，在网络中不同主机间进行通信时，要统一采用网络字节顺序。

 

14.1.11 客户机/服务器模式（C/S）

1，在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户机/服务器模式（客户向服务器提出请求，服务器收到请求后，提供相应的服务）。

 

2，客户机/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求的方式。

首先服务器方要先启动，并根据请求提供相应的服务：

（1） 打开一个通信通道并告知本地主机，它愿意在某一地址和端口上接收客户请求。

（2） 等待客户请求到达该端口

（3） 接收到重复服务请求，处理该请求并发送应答信号。接收到并发服务请求，要激活一个新的进程（或线程）来处理这个客户请求。

新进程（线程）处理此客户请求，并不需要对其他请求做出应答。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。

（4） 返回第二步

（5） 关闭服务器

而客户方：

（1） 打开一个通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口。

（2） 向服务器发送服务请求报文，等待并接收应答：继续提出请求，

（3） 请求结束后关闭通信通道并终止。

 

 

14.2 Windows Socket的实现

14.2.1 套接字的类型：

（1）流式套接字（SOCK_STREAM）：提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复的发送，且按照发送顺序接收。基于TCP协议实现的

（2）数据报套接字（SOCK_DGRAM）：提供无连接服务，数据包以独立包形式发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，接收顺序混乱。基于UDP协议实现的

（3）原始套接字（SOCK_RAW）

 

14.2.2 基于TCP的Socket编程

服务器端程序流程如下：

（1） 创建套接字（socket）

（2） 将套接字绑定到一个本地地址和端口上（bind）

（3） 将套接字设为监听模式，准备接收客户请求（listen）

（4） 等待客户机请求到来：当请求到来时，接收连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字（accept）】

（5） 用返回的套接字和客户端进行通信（send/recv）

（6） 返回，等待另一个客户请求

（7） 关闭套接字

客户端程序流程如下：

（1） 创建套接字（socket）

（2） 向服务器发出连接请求（connect）

（3） 和服务器端进行通信（send/recv）

（4） 关闭套接字

 

服务器端，调用accept函数时，程序就会等待，等待客户端调用connect函数发出连接请求，然后服务器接收该请求，于是双方就建立了连接。

之后，服务器和客户端就可以通过recv/send进行通信了

 

客户端不要调用bind，因为服务器需要接收客户端的请求，所以必须告诉本地主机打算在哪个IP地址和哪个端口上等待客户请求，因此必须调用bind来实现这一功能。

客户端发起连接，服务器接收该请求后，在服务器就保存了客户端的IP地址和端口的信息，这样就可以利用所返回的套接字调用recv/send函数与客户端进行通信了。

 

14.2.3 基于UDP（面向无连接的）socket编程

1，服务器端也叫接收端，先启动的一端称为接收端，发送数据的一段称为发送端，也称客户端。（这个概念好像和Linux的有点不一样）

接收端程序的编写：

（1） 创建套接字（socket）

（2） 将套接字绑定到一个本地地址和端口上（bind）

（3） 等待接收数据（recvfrom） // 不是recv     linux这里也可以发送数据

（4） 关闭套接字

客户端程序的编写：

（1） 创建套接字（socket）

（2） 向服务器发送数据（sendto） // 不是send

（3） 关闭套接字

 

套接字相当于电话机，IP地址相当于总机号码，端口相当于分机

 

14.3 相关函数

 

14.3.1 WSAStartup函数（加载套接字库）

1，利用套接字编程时，第一步要加载套接字库。这个函数有两个功能：

（1） 加载套接字库

（2） 进行套接字库的版本协商，就是确定将使用的socket版本

2，每个WSAStartup成功调用（成功加载winsock动态库以后），在最后都会对应一个WSACleanUp调用，以便释放为该应用分配的资源。

   终止对Winsock动态库的使用。

 

14.3.2 socket函数：加载库之后，用这个函数创建套接字了

1，原型声明如下啊：

14.3.3 bind函数：创建套接字以后，要将该套接字绑定到本地的某个地址和端口上

1，原型

Int bind(SOCKET s, const struct socketaddr FAR *name, int namelen);

 

成功返回0，失败返回一个SOCKET_ERROR，错误信息可以在WSAGetLastError函数返回。

s ：指定要绑定的套接字

name ：指定了该套接字的本地地址信息，由于该地址结构是为所有的地址家族准备的，这个结构可能随所使用的网络协议不同而不同

namelen ：指定该地址结构的长度

 

2，sockaddr结构

struct socketaddr

{

u_short sa_family; // 指定地址家族，对于TCP/IP协议的套接字，必须设置为 AF_INET

char sa_data[14];  // 仅仅表示要求一块内存分配区，起到占位的作用

};

 

3，在基于TCP/IP的socket编程过程中，可以用sockaddr_in结构替换sockaddr

struct socketaddr_in

{

short sin_family; // 地址族，对于IP地址，这个值一直是 AF_INET

unsigned short sin_port; // 指定将要分配给套接字的端口

struct in_addr sin_addr; // 套接字的主机IP地址

char sin_zero[8];// 填充数

};

 

4，sockaddr_in结构中的sin_addr成员类型是in_addr，这个实际上是一个联合（union），

  通常利用这个结构将一个点分十进制格式的IP地址转换为u_long类型。

 

 

14.3.4 inet_addr和inet_ntoa函数

1，将IP地址指定为INADDR_ANY，允许套接字向任何分配给本地机器的IP地址发送或接收数据。

2，每个机器只有一个IP，但有的机器有多个网卡，每个网卡都会有自己的IP地址。

3，如果想让套接字使用多个IP中的一个地址，就必须指定实际地址，可以用inet_addr函数来实现。

4，unsigned long inet_addr(const char FAR *cp);

 Cp：指定了以点分十进制格式表示的IP地址

5，char FAR *inet_ntoa(struct in_addr in);

这个函数会完成相反的转换，接收一个in_addr结构体类型的参数并返回一个以点分十进制表示的IP地址字符串

 

14.3.5 listen函数：将指定的套接字设置为监听模式

1，int listen(SOCKET s, int backlog);

s：套接字描述符

backlog：等待连接队列的最大长度

2，backlog是为了设置等待连接队列的最大长度，不是在一个端口上同时可以进行连接的数目。

（假如设为2，有3个请求同时来的时候，前两个会放到等待请求连接队列中，然后由应用程序一次为这些请求服务，第三个连接请求被拒绝了）

 

14.3.6 accept函数：接收客户端发送的连接请求

1，SOCKET accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

s：套接字描述符，这个套接字已经设置为监听状态

addr：指向一个缓冲区的指针，用来接收连接实体的地址（客户端连接时，保存这个客户端的Ip地址信息和端口信息）

addrlen：也是返回参数，返回包含地址信息的长度

 

14.3.7 send函数：向一个已经建立连接的套接字发送数据

1， int send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

s：已经建立连接的套接字

buf：指向一个缓冲区，包含将要传递的数据

len：缓冲区的长度

flags：这个值将影响函数的行为，一般设为0

 

14.3.8 recv函数：从一个已连接的套接字接收数据

1， int recv(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

s：已经建立连接的套接字

buf：指向一个缓冲区，保存接收的数据

len：缓冲区的长度

flags：这个值将影响函数的行为，一般设为0

 

14.3.9 connect：与一个特定的套接字建立连接（客户端连接服务器）

Int connect(SOCKET s, const struct socketaddr FAR *name, int namelen);

s：即将在其上就建立连接是那个套接字

name：设定连接的服务器端地址信息

namelen：指定服务器端地址长度

 

14.3.10 recvfrom：接收一个数据报信息并保存源地址

1，int recvfrom(

SOCKET s,  // 准备接收数据的套接字

char FAR* buf,  // 指向一个缓冲区的指针，用来接收数据

int len, // 缓冲区的长度

int flags, // 与send函数的第四个参数类似

struct sockaddr FAR* from,  // 接收发送数据方的地址信息

int FAR* fromlen // 输入输出参数，函数调用之后，会通过这个参数返回一个值，该返回值是地址结构的大小

);

 

14.3.11 sendto：向一个特定的目的方发送数据

1，int sendto(

SOCKET s,  // 一个套接字描述符（可能已经建立连接）

char FAR* buf,  // 指向一个缓冲区的指针，包含将要发送的数据

int len, // 缓冲区的长度

int flags, // 与send函数的第四个参数类似

struct sockaddr FAR* to,  // 可选的指针，指定目标套接字的地址

int FAR* tolen // 参数to中指定的地址的长度

);

 

14.3.12 htons和htonl函数

1，u_shorts htons(u_short hostshort); // 把一个u_short类型的值从主机字节顺序转换成TCP/IP网络字节顺序

参数：一个以主机字节顺序表示的16位数值

2，u_long htonl(u_long hostshort); // 把一个u_long类型的值从主机字节顺序转换成TCP/IP网络字节顺序

参数：一个以主机字节顺序表示的32位数值

 

注意：当链接不到这个库的时候，可以这样进行显示加载（这个是我测试时遇到的问题）

#include<Winsock2.h>

// 显示加载这个库WS2_32.DLL

#pragma comment(lib, "WS2_32");

 

下面这张图很早以前找的，已经忘了原出处了，我觉得可以加深我们对网络编程的理解，就搬过来了。

如果有人知道原出处在哪麻烦告知一下。