第十三章 TCP/IP和网络编程

这一章主要分两部分介绍了TCP/IP和网络编程，第一部分介绍了TCP/IP协议及其具体应用那个，第二部分介绍了Web和CGI编程。

13.1 TCP/IP协议

TCP/IP是互联网的基础。TCP代表传输控制协议。IP 代表互联网协议。目前有两个版本的IP，即 IPv4和IPv6。IPv4使用32位地址，IPv6则使用128位地址。本节围绕IPv4进行讨论，它仍然是目前使用最多的IP版本。TCP/IP的组织结构分为几个层级，通常称为 TCP/IP堆栈。

下图所示为TCP/IP 的各个层级以及每一层级的代表性组件及其功能。

13.2 IP主机、IP地址与IP协议

(1)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,除此之外也可以用主机名来表示。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）服务器找到另一个，它将IP地址转换为主机名，反之亦然。

(2)IP地址分为两部分，即NetworkID字段和 HostID字段。根据划分。IP地址分为A-E 类。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127.0.0.1。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。

(3)IP协议用于在IP 主机之间发送/接收数据包。IP尽最大努力运行。IP 主机只向接收主机发送数据包，但它不能保证数据包会被发送到它们的目的地，也不能保证按顺序发送。这意味着 IP并非可靠的协议。必要时，必须在IP 层的上面实现可靠性。

(4)IP数据包由IP头、发送方IP 地址和接收方IP 地址以及数据组成。每个IP数据包的大小最大为64KB。IP 头包含有关数据包的更多信息，例如数据包的总长度、数据包使用 TCP 还是 UDP、生存时间（TTL）计数、错误检测的校验和等。

(5)路由器可作为接受和转发数据包的特殊IP主机传输相隔很远的IP主机间的数据包

13.3 UDP 和 TCP

(1)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。它可用于可靠性不重要的情况。

(2)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。

13.4 端口编号

在各主机上，多个应用程序（进程）可同时使用TCP/UDP。每个应用程序由三个组成部分唯一标志。

应用程序 =（主机 IP，协议，端口号）

其中，协议是TCP或UDP，端口号是分配给应用程序的唯一无符号短整数。要想使用UDP或 TCP，应用程序（进程）必须先选择或获取一个端口号。前1024个端口号已被预留。其他端口号可供一般使用。应用程序可以选择一个可用端口号，也可以让操作系统内核分配端口号。

13.5 网络和主机字节序

计算机可以使用大端字节序，也可以使用小端字节序。在互联网上，数据始终按网络序排列，这是大端。在小端机器上，例如基于Intel x86的PC，htons()、htonl()、ntohs()、ntohl()等库函数，可在主机序和网络序之间转换数据。例如，PC中的端口号 1234按主机字节序（小端）是无符号短整数。必须先通过htons（1234）把它转换成网络序，才能使用。相反，从互联网收到的端口号必须先通过ntohs（port）转换为主机序。

13.6 网络编程

(1)网络编程平台，用户可选择使用服务器上的用户账号进行编程或者直接使用PC设备

(2)服务器-客户机计算模型

大多数网络编程任务都基于服务器-客户机计算模型。在服务器-客户机计算模型中，我们首先在服务器主机上运行服务器进程。然后，我们从客户机主机运行客户机。在 UDP 中，服务器等待来自客户机的数据报，处理数据报并生成对客户机的响应。在TCP 中、服务器等待客户机连接。客户机首先连接到服务器，在客户机和服务器之间建立一个虚拟电路。建立连接后，服务器和客户机可以交换连续的数据流。

(3)套接字编程

在网络编程中，TCP/IP 的用户界面是通过一系列C语言库函数和系统调用来实现的，这些函数和系统调用统称为套接字 API。为了使用套接字API，我们需要套接字地址结构，它用于标识服务器和客户机。netdb.h和 sys/socketh中有套接字地址结构的定义。

1.套接字地址

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;
};

●TCP/IP 网络的 sin_family 始终设置为AF_INET。

● sin_port 包含按网络字节顺序排列的端口号。

● sin addr是按网络字节顺序排列的主机 IP地址。

2.套接字API

服务器必须创建一个套接字，并将其与包含服务器IP地址和端口号的套接字地址绑定。它可以使用一个固定端口号，或者让操作系统内核选择一个端口号（如果 sin port为0）。为了与服务器通信，客户机必须创建一个套接字。对于UPD 套接字，可以将套接字绑定到服务器地址。如果套接字没有绑定到任何特定的服务器，那么它必须在后续的 sendto（）/recvfrom（）调用中提供一个包含服务器IP和端口号的套接字地址。

UDP套接字

UDP 套接字使用 sendto()/recvfrom()来发送/接收数据报。

ssize_t sendto(int soCkfd,const void *buf,size_t len,int flags,
const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd,void *buf,size_t len,int flags,
struct sockaddr *src_addr,socklen_t *addrlen);

UDP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 accept()来接收来自客户机的连接

int listen(int sockfd, int backlog);

listen()将sockfd引用的套接字标记为将用于接收连人连接的套接字。backlog 参数定义了等待连接的最大队列长度。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen 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 connect()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，connect()调用尝试连接到绑定到addr指定地址的套接字。

send()/read()以及recv/write()

建立连接后，两个TCP主机都可以使用send()/write()发送数据，并使用recv()/read()接收数据。它们唯一的区别是send()和recv()中的flag参数不同，通常情况下可以将其设置为0。
asize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags), asize_t write(sockfd, void *buf, size_t, len)
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, bize_t len, int flags); asize_t read(sockfd, void *buf, size_t len);
通用套接字地址结构

sockaddr
struct sockaddr
{
uint8_t           sa_len;
sa_family_t       sa_family;
char              sa_data[14];
};

IPv6套接字地址结构
IPv6套接字地址结构在<netinet/in.h>头文件中定义

struct in6_addr
{
unit8_t s6_add[16];
};
#define SIN6_LEN
struct sockaddr_in6
{ 
uint8_t           sin6_len;
sa_family_t       sin6_family;
in_port_t         sin6_port;
uint32_t          sin6_flowinfo;
struct in6_addr   sin6_addr;
uint32_t          sin6_scope_id;
};

新的struct sockaddr_storage足以容纳系统所支持的任何套接字地址结构。sockaddr_storage结构在<netinet/in.h>头文件中定义

struct sockaddr_storage
{
uint8_t       ss_len;
sa_family_t   ss_family;
};

13.7 Web和CGI编程

万维网（WWW）或Web是互联网上的资源和用户组合，它使用超文本传输协议（HTTP）（RFC 26161999）进行信息交换。自 20世纪 90年代初问世以来，随着互联网能力的不断扩展，Web已经成为世界各地人们日常生活中不可或缺的一部分。因此，对于计算机科学的学生来说.了解这项技术非常重要。

13.8 实践

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
 
#define MAXLINE 256
#define PORT 6552
void sys_err(char *msg){
    perror(msg);
    exit(-1);
}
int main(int argc , char **argv){
 
 
    int sockFd,n;
    char recvLine[MAXLINE];
    struct sockaddr_in servAddr;
 
    if (argc != 2) {
        sys_err("usage: a.out <IPaddress>");
    }
 
    sockFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
 
 
    memset(&servAddr,0,sizeof(servAddr));
 
    servAddr.sin_family = AF_INET;
    servAddr.sin_port = htons(PORT);
    if (inet_pton(AF_INET,argv[1],&servAddr.sin_addr) <= 0) {
 
        sys_err("inet_pton error");
    }
 
    connect(sockFd,(struct sockaddr *)&servAddr,sizeof(servAddr));
 
 
    while((n=read(sockFd,recvLine,MAXLINE)) >0 ){
        recvLine[n] = '\0';
        if(fputs(recvLine,stdout) == EOF){
            sys_err("fputs error");
        }
    }
    if(n <0){
        sys_err("read error");
    }
    return 0;
}

实践结果：