LINUX課件課件 LINUX網(wǎng)絡編程

Linux網(wǎng)絡編程,TCP/IP協(xié)議概述 網(wǎng)絡編程基礎(chǔ) 網(wǎng)絡高級編程,1、TCP/IP協(xié)議概述,1.1 OSI參考模型與TCP/IP參考模型,圖1 OSI參考模型與TCP/IP參考模型對應關(guān)系,圖2 OSI參考模型與TCP/IP參考模型對應關(guān)系,1.2 TCP/IP協(xié)議族,TCP/IP 實際上一個一起工作的通信家族，為網(wǎng)際數(shù)據(jù)通信提供通路。為討論方便可將 TCP/IP 協(xié)議組大體上分為三部分： 1Internet 協(xié)議（IP） 2傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議（UDP） 3處于TCP 和UDP 之上的一組協(xié)議專門開發(fā)的應用程序。它們包括：TELNET，文件傳送協(xié)議（FTP），域名服務（DNS）和簡單的郵件傳送程序（SMTP）等許多協(xié)議。,1.2.1 網(wǎng)絡層,第一部分也稱為網(wǎng)絡層。包括Internet 協(xié)議（IP）、網(wǎng)際控制報文協(xié)議（ICMP）和地址識別協(xié)議（ARP）. Internet 協(xié)議（IP）。 該協(xié)議被設計成互聯(lián)分組交換通信網(wǎng)，以形成一個網(wǎng)際通信環(huán)境。它負責在源主機和目的地主機之間傳輸來自其較高層軟件的稱為數(shù)據(jù)報文的數(shù)據(jù)塊，它在源和目的地之間提供非連接型傳遞服務。 網(wǎng)際控制報文協(xié)議（ICMP）。 它實際上不是IP層部分，但直接同IP層一起工作，報告網(wǎng)絡上的某些出錯情況。允許網(wǎng)際路由器傳輸差錯信息或測試報文。 地址識別協(xié)議（ARP）。 ARP 實際上不是網(wǎng)絡層部分，它處于IP和數(shù)據(jù)鏈路層之間，它是在32位IP地址和48位局域網(wǎng)物理地址之間執(zhí)行翻譯的協(xié)議。,1.2.2 傳輸層協(xié)議,第二部分是傳輸層協(xié)議。包括傳輸控制協(xié)議和用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議。 傳輸控制協(xié)議（TCP）。 由于IP 提供非連接型傳遞服務，因此TCP應為應用程序存取網(wǎng)絡創(chuàng)造了條件，使用可靠的面向連接的傳輸層服務。該協(xié)議為建立網(wǎng)際上用戶進程之間的對話負責。此外，還確保兩個以上進程之間的可靠通信。它所提供的功能如下。 1監(jiān)聽輸入對話建立請求。 2請求另一網(wǎng)絡站點對話。 3可靠的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 4適度的關(guān)閉對話。,1.2.3 應用程序部分,用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議（UDP）。UDP 提供不可靠的非連接型傳輸層服務，它允許在源和目的地站點之間傳送數(shù)據(jù)，而不必在傳送數(shù)據(jù)之前建立對話。此外，該協(xié)議還不使用TCP使用的端對端差錯校驗。當使用UDP時，傳輸層功能全都發(fā)揮，而開銷卻比較低。它主要用于那些不要求TCP協(xié)議的非連接型的應用程序。例如，名字服務、網(wǎng)絡管理、視頻點播和網(wǎng)絡會議等。,最后是應用程序部分。這部分包括Telnet，文件傳送協(xié)議（FTP 和TFTP），簡單的文件傳送協(xié)議（SMTP）和域名服務（DNS）等協(xié)議。 TCP/IP 使用了主干網(wǎng)絡，能連接各種主機和LAN 的多級分層結(jié)構(gòu)，局部用戶能方便的聯(lián)網(wǎng)，不致影響到整個網(wǎng)絡系統(tǒng)。此外這種結(jié)構(gòu)還有利于局部用戶控制操作和管理。 TCP/IP 具有兩個主要功能。第一是IP在網(wǎng)絡之間（有時在個別網(wǎng)絡內(nèi)部）提供路由選擇。第二是TCP將TP傳遞的數(shù)據(jù)傳送的接收主機那的適當?shù)奶幚聿考?1.3 Internet 協(xié)議（IP）,IP主要有以下四個主要功能： （1）數(shù)據(jù)傳送 （2）尋址 （3）路由選擇 （4）數(shù)據(jù)報文的分段,1.3.1 IP功能,IP的主要目的是為數(shù)據(jù)輸入/輸出網(wǎng)絡提供基本算法，為高層協(xié)議提供無連接的傳送服務。這意味著在IP將數(shù)據(jù)遞交給接收站點以前不在傳輸站點和接收站點之間建立對話（虛擬鏈路）。它只是封裝和傳遞數(shù)據(jù)，但不向發(fā)送者或接收者報告包的狀態(tài)，不處理所遇到的故障。,IP協(xié)議不注意包內(nèi)的數(shù)據(jù)類型，它所知道的一切是必須將某些稱為IP 幀頭的控制協(xié)議加到高層協(xié)議（TCP 或者UDP）所接受的數(shù)據(jù)上。,圖3 封裝在Ethernet 幀中的IP 頭,1.3.2 IP 地址,在TCP/IP網(wǎng)絡中，每個主機都有唯一的地址，它是通過IP協(xié)議來實現(xiàn)的。IP協(xié)議要求在每次與TCP/IP網(wǎng)絡建立連接時，每臺主機都必須為這個連接分配一個唯一的32位地址，因為在這個32位IP地址中，不但可以用來識別某一臺主機，而且還隱含著網(wǎng)際間的路徑信息。需要強調(diào)指出的，這里的主機是指網(wǎng)絡上的一個節(jié)點，不能簡單地理解為一臺計算機，實際上IP地址是分配給計算機的網(wǎng)絡適配器（即網(wǎng)卡）的，一臺計算機可以有多個網(wǎng)絡適配器，就可以有多個IP地址，一個網(wǎng)絡適配器就是一個節(jié)點。,IP地址為32位地址，一般以4個字節(jié)表示。每個字節(jié)的數(shù)字又用十進制表示，即每個字節(jié)的數(shù)的范圍是0255，且每個數(shù)字之間用點隔開，例如：12，這種記錄方法稱為“點-分”十進制記號法。IP地址的結(jié)構(gòu)如下所示：,1.3.3 IP地址的分類,Internet地址可分成5類： A、B、C三類由InterNIC（Internet網(wǎng)絡信息中心）在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一分配，D、E類為特殊地址。,B類IP地址,1110,廣播地址ID,0 1 2 3 4 31,D類IP地址,11110,保留用于將來和試驗使用,0 1 2 3 4 5 31,E類IP地址,A 類網(wǎng)絡地址有128 個（支持127）個網(wǎng)絡，占有最左邊的一個字節(jié)（8 位）。高位（0）表示識別這種地址的類型。 B 類地址使用左邊兩個8 位用來網(wǎng)絡尋址。兩個高位（10）用于識別這種地址的類型，其余的14 位用作網(wǎng)絡地址，右邊的兩個字節(jié)（16 位）用作網(wǎng)絡節(jié)點。 C 類地址是最常見的Internet 地址。三個高位（110）用于地址類型識別，左邊三個字節(jié)的其余21 位用于尋址。C 類地址支持1046個網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡可多達256 端點。 D 類地址是相當新的。它的識別頭是1110，用于組播，例如用于路由器修改。 E 類地址為時延保留，其識別頭是11110。,1.4 傳輸控制協(xié)議（TCP）,TCP（傳輸控制協(xié)議Transmission Control Protocol）是重要的傳輸層協(xié)議，傳輸層軟件TCP的目的是允許數(shù)據(jù)同網(wǎng)絡上的另外站點進行可靠的交換。它能提供端口編號的譯碼，以識別主機的應用程序，而且完成數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 TCP 協(xié)議具有嚴格的內(nèi)裝差錯檢驗算法確保數(shù)據(jù)的完整性。 TCP 是面向字節(jié)的順序協(xié)議，這意味著包內(nèi)的每個字節(jié)被分配一個順序編號，并分配給每包一個順序編號。,圖4 TCP 頭信息,1.5 用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議,UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議User Datagram Protocol）也是TCP/IP 的傳輸層協(xié)議，它是無連接的，不可靠的傳輸服務。當接收數(shù)據(jù)時它不向發(fā)送方提供確認信息，它不提供輸入包的順序，如果出現(xiàn)丟失包或重份包的情況，也不會向發(fā)送方發(fā)出差錯報文。 UDP 的主要作用是分配和管理端口編號，以正確無誤的識別運行在網(wǎng)絡站點上的個別應用程序。由于它執(zhí)行功能時具有較低的開銷，因而執(zhí)行速度比TCP快。它多半用于不需要可靠傳輸?shù)膽贸绦?，例如網(wǎng)絡視頻點播和視頻會議等。,圖5 UDP 頭信息,1.6 TCP/IP 協(xié)議分組服務,控制數(shù)據(jù)的協(xié)議 TCP以連接為基礎(chǔ)，即兩臺電腦必須先建立一個連接，然后才能傳輸數(shù)據(jù)。事實上，發(fā)送和接受的電腦必須一直互相通訊和聯(lián)系。 UDP是一個無連接服務，數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送而不必在兩臺電腦之間建立一個網(wǎng)絡連接。它和有連接的TCP相比，占用帶寬少，但是無法確認數(shù)據(jù)是否真正到達了客戶端，而客戶端收到的數(shù)據(jù)也不知道是否還是原來的發(fā)送順序。,數(shù)據(jù)路由協(xié)議 路由協(xié)議分析數(shù)據(jù)包的地址并且決定傳輸數(shù)據(jù)到目的電腦最佳路線。他們也可以把大的數(shù)據(jù)分成幾部分，并且在目的地再把他們組合起來。IP處理實際上傳輸數(shù)據(jù)。 ICMP（網(wǎng)絡控制信息協(xié)議Internet Control Message Protocol）處理IP的狀態(tài)信息，比如能影響路由決策的數(shù)據(jù)錯誤或改變。 RIP（路由信息協(xié)議Routing Information Protocol）它是幾個決定信息傳輸?shù)淖罴崖酚陕肪€協(xié)議中的一個。 OSPF（Open Shortest Path First）一個用來決定路由的協(xié)議。 ARP（地址解析協(xié)議Address Resolution Protocol）確定網(wǎng)絡上一臺電腦的數(shù)字地址。 DNS（域名系統(tǒng)Domain Name System）從機器的名字確定一個機器的數(shù)字地址。 RARP（反向地址解析協(xié)議Reverse Address Resolution Protocol）確定網(wǎng)絡上一臺計算機的地址，和ARP正好相反。,用戶服務 BOOTP（啟動協(xié)議Boot Protocol） 由網(wǎng)絡服務器上取得啟動信息，然后將本地的網(wǎng)絡計算機啟動。 FTP（文件傳輸協(xié)議File Transfer Protocol）通過國際互連網(wǎng)從一臺計算機上傳輸一個或多個文件到另外一臺計算機。 TELNET（遠程登陸）允許一個遠程登陸，使用者可以從網(wǎng)絡上的一臺機器通過TELNET連線到另一臺機器，就像使用者直接在本地操作一樣。 EGP（外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議Exterior Gateway Protocol）為外部網(wǎng)絡傳輸路由信息。 GGP（網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)關(guān)協(xié)議Gateway-to-Gateway Protocol）在網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)之間傳輸路由協(xié)議。 IGP（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議Interior Gateway Protocol）在內(nèi)部網(wǎng)絡傳輸路由信息。,其他協(xié)議(也為網(wǎng)絡提供了重要的服務) NFS（網(wǎng)絡文件系統(tǒng)Network File System）允許將一臺機器的目錄被另一臺機器上的用戶安裝（Mount）到自己的機器上，就像是對本地文件系統(tǒng)進行操作一樣進行各式各樣的操作。 NIS（網(wǎng)絡信息服務Network Information Service）對整個網(wǎng)絡用戶的用戶名、密碼進行統(tǒng)一管理，簡化在NIS 服務下整個網(wǎng)絡登陸的用戶名密碼檢查。 RPC（遠程過程調(diào)用Remote Procedure Call）通過它可以允許遠程的應用程序通過簡單的、有效的手段聯(lián)系本地的應用程序，反之也是。 SMTP（簡單郵件傳輸協(xié)議Simple Mail Transfer Protocol）一個專門為電子郵件在多臺機器中傳輸?shù)膮f(xié)議，平時發(fā)郵件的SMTP 服務器提供的必然服務。 SNMP（簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議Simple Network Management Protocol）這是一項為超級用戶準備的服務，超級用戶可以通過它來進行簡單的網(wǎng)絡管理。,2、網(wǎng)絡編程基礎(chǔ),2.1 socket概述 linux中的網(wǎng)絡編程通過socket接口實現(xiàn)。Socket既是一種特殊的IO，它也是一種文件描述符。一個完整的Socket 都有一個相關(guān)描述協(xié)議，本地地址，本地端口，遠程地址，遠程端口；每一個Socket 有一個本地的唯一Socket 號，由操作系統(tǒng)分配。,套接字有三種類型： 流式套接字（SOCK_STREAM） 流式的套接字可以提供可靠的、面向連接的通訊流。它使用了TCP協(xié)議。TCP 保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和順序性。 數(shù)據(jù)報套接字（SOCK_DGRAM） 數(shù)據(jù)報套接字定義了一種無連接的服務，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不保證可靠，無差錯。使用數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP協(xié)議。 原始套接字。 原始套接字允許對低層協(xié)議如IP或ICMP直接訪問，主要用于新的網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)的測試等。,2.2 套接字地址結(jié)構(gòu),struct sockaddr unsigned short sa_family; /* address族, AF_xxx */ char sa_data14; /* 14 bytes的協(xié)議地址 */ ; sa_family 一般來說， IPV4使用“AF_INET”。 sa_data 包含了一些遠程電腦的地址、端口和套接字的數(shù)目，它里面的數(shù)據(jù)是雜溶在一起的。,struct sockaddr_in short int sin_family; /* Internet地址族 */ unsigned short int sin_port; /* 端口號 */ struct in_addr sin_addr; /* Internet地址 */ unsigned char sin_zero8; /* 添0（和struct sockaddr一樣大?。?/ ; 這兩個數(shù)據(jù)類型是等效的，可以相互轉(zhuǎn)換，通常使用sockaddr_in更為方便,2.3 字節(jié)序列轉(zhuǎn)換,因為每一個機器內(nèi)部對變量的字節(jié)存儲順序不同（有的系統(tǒng)是高位在前，底位在后，而有的系統(tǒng)是底位在前，高位在后 )，而網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大家是一定要統(tǒng)一順序的。所以對與內(nèi)部字節(jié)表示順序和網(wǎng)絡字節(jié)順序不同的機器，就一定要對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。,下面給出套接字字節(jié)轉(zhuǎn)換程序的列表： htons()“Host to Network Short” 主機字節(jié)順序轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡字節(jié)順序（對無符號短型進行操作2bytes） htonl()“Host to Network Long” 主機字節(jié)順序轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡字節(jié)順序（對無符號長型進行操作4bytes） ntohs()“Network to Host Short” 網(wǎng)絡字節(jié)順序轉(zhuǎn)換為主機字節(jié)順序（對無符號短型進行操作2bytes） ntohl()“Network to Host Long ” 網(wǎng)絡字節(jié)順序轉(zhuǎn)換為主機字節(jié)順序（對無符號長型進行操作4bytes）,2.4 地址格式轉(zhuǎn)換,