Linux 操作系统网络编程1-编程知识

1、网络编程

1.1 OSI 网络七层模型

1.1.1 OSI 参考模型

1.1.2 网络数据传输过程

2 传输层通信协议

2.1 TCP

2.1.1 TCP的3次握手过程

2.1.2 TCP四次挥手过程

2.2 UDP

3 网络编程的IP地址

4 端口

5 套接字

1、网络编程

1.1 OSI 网络七层模型

1.1.1 OSI 参考模型

网络模型作用：进行数据封装

OSI 开放式系统互联。OSI模型把网络通信的工作分为7层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

OSI只是存在于概念和理论上的一种模型，它的缺点是分层太多，增加了网络工作的复杂性，所以没有大规模应用。后来人们对OSI进行了简化，合并了一些层，最终只保存了4层，从下到上分别是接口层、网络层，传输层和应用层，也就是后来的TCP/IP模型。

OSI 各层模型功能：

1-> 物理层

        利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。

        数据单位：比特

        典型设备:光纤、电缆

2-> 数据链路层

在物理层提供的比特流的基础上，通过差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路，即提供可靠的通过物理介质传输数据的方法。

数据单位：帧。

3-> 网络层

通过 IP 寻址来建立两个节点之间的连接

4-> 传输层

向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输，同时向高层屏蔽下层数据通信的细节，即向用户透明地传送报文。

5-> 会话层

组织和协调两个回话进程之间的通信，并对数据交换进行管理。

6-> 表示层

表示层要完成的功能主要有不同数据编码格式的转换，提供数据压缩、解压缩服务，对数据进行加密、解密。

7-> 应用层

直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。

1.1.2 网络数据传输过程

我们平常使用的程序（或者说软件）一般都是通过应用层来访问网络的，程序产生的数据会一层一层地往下传输，直到最后的网络接口层，就通过网线发送到互联网上去了。数据每往下走一层，就会被这一层的协议增加一层包装，等到发送到互联网上时，已经比原始数据多了四层包装。整个数据封装的过程就像俄罗斯套娃。当另一台计算机接收到数据包时，会从网络接口层再一层一层往上传输，每传输一层就拆开一层包装，直到最后的应用层，就得到了最原始的数据，这才是程序要使用的数据。

2 传输层通信协议

2.1 TCP

TCP是面向连接的传输协议、可考性传输，建立连接时要经过三次握手，断开连接时要经过四次挥手，中间传输数据时也要回复 ACK 包确认，多种机制保证了数据能够正确到达，不会丢失或出错。

2.1.1 TCP的3次握手过程

1、客户端发送 TCP 连接请求
        客户端会随机一个初始序列号 seq=x（ client_isn），设置 SYN=1，表示这是 SYN 握手报文。然后就可以把这个 SYN 报文发送给服务端了，表示向服务端发起连接，之后客户端处于同步已发送状态。

2、服务端发送针对 TCP 连接请求的确认，服务端收到客户端的 SYN 报文后，也随机一个初始序列号(server_isn)(seq=y)，设置 ack=x+1, 表示收到了客户端的 x 之前的数据，希望客户端下次发送的数据从x+1 开始。设置 SYN=1 和 ACK=1。表示这是一个 SYN 握手和 ACK 确认应答报文。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于同步已接收状态。

3、客户端发送确认的确认
        客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个应答报文，将 ACK 置为 1 ，表示这是一个应答报文 ack=y+1 ，表示收到了服务器的 y 之前的数据，希望服务器下次发送的数据从 y+1 开始。最后把报文发送给服务端，这次报文可以携带数据，之后客户端处于连接已建立状态。服务器收到客户端的应答报文后，也进入连接已建立状态通过这样的三次握手过程， TCP 能够确保双方能够收到对方的请求和回应，并且双方都知道彼此的初始序列号和确认号。这样建立起来的连接可以提供可靠的数据传输和顺序控制。
        ACK：确认序号有效。
        SYN：发起一个新连接。

        CLOSED：不在连接状态（这是为方便描述假想的状态，实际不存在）
        LISTEN：等待从任何远端 TCP 和端口的连接请求。
        SYN_SENT：发送完一个连接请求后等待一个匹配的连接请求。 syn_sent
        SYN_RCVD:这个状态表示接受到了 SYN 报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的 SOCKET 在建立 TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂，基本上用 netstat 你是很难看到这种状态的，除非你特意写了一个客户端测试程序，故意将三次 TCP 握手过程中最后一个 ACK 报文不予发送。因此这种状态时，当收到客户端的 ACK 报文后，它会进入到 ESTABLISHED 状态ESTABLISHED：表示一个打开的连接，接收到的数据可以被投递给用户。连接的数据传输阶段的正常状态。

为什么是三次握手，为什么不是两次或者四次？
主要原因：防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误
如果采用两次握手会出现以下情况：
客户端向服务器端发送的请求报文由于网络等原因滞留，未能发送到服务器端，此时连接请求报文失效，客户端会再次向服务器端发送请求报文，之后与服务器端建立连接，当连接释放后，由于网络通畅了，第一次客户端发送的请求报文又突然到达了服务器端，这条请求报文本该失效了，但此时服务器端误认为客户端又发送了一次连接请求，两次握手建立好连接，此时客户端忽略服务器端发来的确认，也不发送数据，造成不必要的错误和网络资源的浪费。如果采用三次握手的话，就算那条失效的报文发送到服务器端，服务器端确认并向客户端发送报文，但此时
客户端不会发出确认，由于客户端没有确认，由于服务器端没有接收到确认，就会知道客户端没有请求连接。为什么不是四次？如果三次就能够确定正常连接，就没有必要在进行确认，来浪费资源了。

2.1.2 TCP四次挥手过程

ESTABLISHED：表示一个打开的连接，接收到的数据可以被投递给用户。连接的数据传输阶段的正常状态。

        FIN_WAIT_1：等待远端 TCP 的连接终止请求，或者等待之前发送的连接终止请求的确认。
        FIN_WAIT_2：等待远端 TCP 的连接终止请求。
        CLOSE_WAIT：等待本地用户的连接终止请求。
        CLOSING：等待远端 TCP 的连接终止请求确认。
        LAST_ACK：等待先前发送给远端 TCP 的连接终止请求的确认（包括它字节的连接终止请求的确认）
        TIME_WAIT：等待足够的时间过去以确保远端 TCP 接收到它的连接终止请求的确认。
数据传输完毕后，双方都可释放连接。最开始的时候，客户端和服务器都是处于 ESTABLISHED 状态，然后客户端主动关闭，服务器被动关闭。
        FIN：断开一个连接标志；
        第一次挥手:客户端发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部， FIN=1，其序列号为 seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加 1），此时，客户端进入 FIN-WAIT-1（终止等待 1）状态。
        第二次挥手服务器端接收到连接释放报文后，发出确认报文， ACK=1， ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了 CLOSE-WAIT 关闭等待状态。
        第三次挥手客户端接收到服务器端的确认请求后，客户端就会进入 FIN-WAIT-2（终止等待 2）状态，等待服务器发送连接释放报文，服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
        第四次挥手客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认， ACK=1， ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了 TIME-WAIT（时间等待）状态，但此时 TCP 连接还未终止，必须要经过 2MSL后（最长报文寿命），当客户端撤销相应的 TCB 后，客户端才会进入 CLOSED 关闭状态，服务器端接收到确认报文后，会立即进入 CLOSED 关闭状态，到这里 TCP 连接就断开了，四次挥手完成。

总结：
        * 面向连接，类似我们手机打电话，不管有没有人说话--通话都计时
        * 稳定的长连接通信
        * 速度相对来说比较慢
        * 一般不容易丢失数据 -- 有链接三次握手
        * 以及断开链接的四次挥手

2.2 UDP

        UDP 是非面向连接的传输协议，没有建立连接和断开连接的过程，它只是简单地把数据丢到网络中，也不需要 ACK 包确认。在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高。
当强调传输性能而不是传输的完整性时，如：音频和多媒体应用， UDP 是最好的选择。
总结：
        * 短链接，不连接通信
        * 相对来说没有 TCP 那么稳定
        * 有可能丢失相应数据
        * 它的发送速度相对 TCP 来说比较快

3 网络编程的IP地址

IP 地址是 Internet Protocol Address 的缩写，译为“网际协议地址”。在因特网上进行通信时，必须要知道对方的 IP 地址。

1) shell 查看 ip
windows 下： ipconfig
Linux 下： ifconfig
2) ipv4
        ipv4 地址是一个 32 位(bit)地址数据(unsigned int)
        1> 点分十进制表示 IP
                8 位合成一个数值，用.隔开，这种表达方式即为点分十进制
                例如点分十进制： 192.168.110.59
                0.0.0.0 -- 255.255.255.255
2> ip 由网络号和主机号组成
        网络号：区分局域网
        主机号：区分同一个局域网内不同的设备
        IP 地址根据网络 ID 的不同分为 5 种类型

A 类地址： 0.0.0.0-127.255.255.255
        第一个字节 IP 网络号，后三个字节为主机字节
        A 类地址你是无法得到的， A 类地址是用于超级公司/国家政府的地址
B 类地址： 128.0.0.0-191.255.255.255
        前两个字节为 IP 网络号，后两个字节为主机字节
        一般也适用于大型公司
C 类地址： 192.0.0.0-223.255.255.255
        前三个字节为 IP 网络号，后一个字节为主机地址
D 类地址：在历史上被叫做多播地址(multicast address)，即组播地址
        224.0.0.0 到 239.255.255.255。
E 类地址：广播地址，用于研究使用

3> 由于科技发展，电子设备增多， IP 地址不够用，出现 ipv6 地址(128 位地址数据) 2^128
4> 子网掩码：网络号为 1 主机号为 0
例如： 192.168.110.123
子网掩码： 255.255.255.0 （ c 类）

5> 网关：网络号不变，主机号为 0
例如： 192.168.110.123
网关： 192.168.110.0 （ C 类 IP）

4 端口

一台计算机可以同时提供多种网络服务，例如 Web 服务（网站）、 FTP 服务（文件传输服务）、 SMTP 服务（邮箱服务）等，仅 5 有 IP 地址，计算机虽然可以正确接收到数据包，但是却不知道要将数据包交给哪个网络程序来处理，所以为了区分不同的网络程序，计算机会为每个网络程序分配一个独一无二的端口号（ PortNumber）

端口的数据类型： unsigned short 范围： 0-65535
端口分为
        1) 知名端口号
                知名端口号是系统程序使用的端口号. 知名端口范围从 0 到 1023.
        2) 动态端口号
                动态端口号是普通程序使用的端口号. 动态端口的范围是从 1024 到 65535. 当这个程序关闭时,
        同时也就释放了所占用的端口号，一般建议使用 10000 以上。 10000-65535

5 TCP 协议编程框架

5 套接字

        套接字是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。
        socket 的典型应用就是浏览器：浏览器获取用户输入的 URL（统一资源定位符），向服务器发起请求，服务器分析接收到的 URL，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。
        UNIX/Linux 中的 socket 是什么？ UNIX/Linux 程序在执行任何形式的 I/O 操作时，都是在读取或者写入一个文件描述符。一个文件描述符只是一个和打开的文件相关联的整数，它的背后可能是一个硬盘上的普通文件、 FIFO、管道、终端、键盘、显示器，甚至是一个网络连接。
请注意，网络连接也是一个文件，它也有文件描述符！我们可以通过 socket() 函数来创建一个网络连接，或者说打开一个网络文件， socket() 的返回值就是文件描述符。有了文件描述符，我们就可以使用普通的文件操作函数来传输数据了，网络编程原来就是如此简单！