EmbeddedNote：网络通信基础

一、为什么要学习网络编程？

1>进程间通信方式

内核提供三种：无名管道、有名管道、信号

System V提供三种：消息队列、共享内存、信号灯集

2> 以上通信方式，都是通过内核空间完成，在同一主机之间多个进程通信没有问题，但是，不同主机的内核空间是不同的，所以，无法做到跨主机之间多个进程之间的通信

3> 引入第七种进程间通信：套接字通信，完成跨主机多进程之间通信方式

二、课程体系

1> 本门课程一共7天时间

2> 网络通信基础（理论居多）：网络通信体系结构、IP地址、MAC地址、端口号。。。

3> TCP网络通信模型、UDP网络通信模型

4> 并发服务器模型

5> 组播、广播模型

6> IO多路复用模型

7> 域套接字通信模型

8> 数据库

9> 授课过程中会做一些项目：包含C语言、数据结构、进程线程、网络编程

三、网络发展历史

发展阶段：

1.APRAnet阶段—冷战产物

2.TCP/IP协议阶段–只有TCP和IP两个协议

3.osi开放系统互联模型

4.TCP/IP协议族

3.1 APRAnet阶段

阿帕网，是Interne的最早雏形

不能互联不同类型的计算机和不同类型的操作系统

没有纠错功能

3.2 TCP/IP两个协议阶段

在计算机网络中，要做到有条不紊的交换数据，需要遵循一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。为了进行网络中的数据交换而建立的规则、标准和约定称为网络协议

联网协议：定义如何在一个网络上传输信息的一组规则

TCP/IP协议分成了两个不同的协议：

用来检测网络传输中差错的传输控制协议TCP

专门负责对不同网络进行互联的互联网协议IP

3.3 网络体系结构及OSI开放系统系统互联模型

3.3.1 网络体系结构概念

每一层都有自己独立的功能，单每一层都不可获取

通常把功能相近的协议组织在一起放在一层，协议栈。所以每一层中其实有多个协议

分层的好处：

1、各层之间独立，每一层不需要知道下一层如何实现，而仅仅只需要知道该层通过层间的接口所提供的服务

2、稳定，灵活性好，当任何一层发生变化时，只需要层间接口关系保持不变，而这层以上或以下层不受影响

3、易于实现和维护（知道是什么功能，就到指定层去查找）

4、促进标准化工作：每一层的功能及其所提供的服务都有了精确的说明。

5、结构上不可分割开：各层都可以采用最合适的技术来实现

3.3.2 OSI开放系统互联模型

OSI是有 ISO（国际标准化组织）提出的一个理想化模型。

OSI共有七层：

物数网传会表应。

注意：从上往下说也行，从下往上说也可以，但是顺序不能变。

3.3.3 TCP/IP协议族(簇)的体系结构

TCP/IP协议簇是Internet事实上的工业标准。

TCP/IP网络体系结构四层：

应用层

传输层

网络层

链路层(网络接口和物理层)

虽然TCP/IP体系结构只有四层，但是做的事儿和OSI的七层是一样的。

TCP/IP四层结构和 OSI开放系统互联模型七层的对应关系。

插一句：

linux内核五大功能？

内存管理：内存的分配和回收

进程管理：时间片轮转、上下文切换

文件管理：将一堆0和1转换成人类好识别的字符

设备管理：linux下一切皆文件

网络管理：网络协议栈的管理

协议：发送方和接收方都遵循的：数据发送及数据解析的一组准则。

3.3.4 数据封包和拆包的过程

案例导入

一帧数据的说明

大小为 64–1518（包含以太网的头部14字节、尾部4字节）

如果数据大于MTU（最大传输单元，linux默认是1500），需要分成多次进行传输

可以使用指令ifconfig查看MTU最大传输单元

3.3.5 TCP/IP四层结构中常见的协议

应用层：

HTTP(Hypertext Transfer Protocol) 超文本传输协议

万维网的数据通信的基础

FTP(File Transfer Protocol) 文件传输协议

是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用TCP传输

TFTP(Trivial File Transfer Protocol) 简单文件传输协议

是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用UDP传输

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 简单邮件传输协议

一种提供可靠且有效的电子邮件传输的协议

传输层：

TCP(Transport Control Protocol) 传输控制协议

是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议

UDP(User Datagram Protocol) 用户数据报协议

是一种无连接、不可靠、快速传输的传输层通信协议

网络层：

IP(Internetworking Protocol) 网际互连协议

是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议

ICMP(Internet Control Message Protocol) 互联网控制信息协议

用于在IP主机、路由器之间传递控制消息、ping命令使用的协议

IGMP(Internet Group Management Protocol) 互联网组管理

是一个组播协议，用于主机和组播路由器之间通信

链路层：

ARP(Address Resolution Protocol) 地址解析协议

通过IP地址获取对方mac地址

RARP(Reverse Address Resolution Protocol) 逆向地址解析协议

通过mac地址获取ip地址

注意：

每层使用的协议，由下层决定，不能乱用。

四、TCP和UDP异同（笔试面试）

共同点：同属于传输层的协议

TCP ----> 稳定

1> 提供面向连接的，可靠的数据传输服务

2> 传输过程中，数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复

1、TCP会给每个数据包编上编号，该编号称之为序列号

2、每个序列号都需要应答包应答，如果没有应答，则会将上面的包重复发送直到正确为止

3> 数据传输效率低，耗费资源多

4> 数据收发是不同步的

1、为了提高效率，TCP会将多个较小，并且发送间隔短的数据包，沾成一个包发送，该现象称为沾包现象

2、该沾包算法称之为Nagle算法

5> TCP的使用场景：对传输质量比较高的以及传输大量数据的通信，在需要可靠通信的传输场合，一般使用TCP协议

例如：账户登录，大型文件下载的时候

UDP ----> 快速

1> 面向无连接的，不保证数据可靠的，尽最大努力传输的协议

2> 数据传输过程中，可能出现数据丢失、重复、失序现象

3> 数据传输效率高，实时性高

4> 限制每次传输的数据大小，多出部分直接忽略删除

5> 收发是同步的，不会沾包

6> 适用场景：发送小尺寸的，在接收到数据给出应答比较困难的情况下

例如：广播、通讯软件的音视频

五、网络基础相关的概念

5.1 字节序

1> 不同类型的CPU主机中，在处理多字节整数序列时有两种存储方式，称为主机字节序

大端存储（big_endian）:地址低位存储数据高位

小端存储（little_endiab）:地址低位存储数据低位

2> 判断主机是大端还是小端存储

#include<myhead.h>
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
	/*使用指针验证
	//定义一个整形数据
	int num = 0x12345678;
 
	char *ptr = (char *)&num;     //定义一个字符指针，指向整形数据的低地址位
 
	//判断低地址位中的值
	if(*ptr == 0x12)
	{
		printf("bid endian\n");
	}else if(*ptr == 0x78)
	{
		printf("little endian\n");
	}else
	{
		printf("error\n");
	}
	*/
 
 
	//使用共用体验证
	union Endian
	{
		int num;
		char ch;
	}eun;            //定义共用体变量
 
	eun.num = 0x12345678;      //给整形成员赋值
 
	//判断字符成员中的值
	if(eun.ch == 0x12)
	{
		printf("big endian\n");
	}else if(eun.ch == 0x78)
	{
		printf("little endian\n");
	}else 
	{
		printf("error\n");
	}
 
	return 0;
}

3> 手动将小端存储转换为大端存储

#include<myhead.h>
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
	int num = 0x12345678;
 
	//定义一个字符指针,指向num的起始地址
	char *ptr = (char *)&num;
	char *qtr = ptr + 3;          //定义指针指向整形数据的数据高位
 
	//交换ptr和qtr中的内容
	char temp = *ptr;
	*ptr = *qtr;
	*qtr = temp;
 
	//前一个指针后移，后一个指针前移
	ptr++;
	qtr--;
 
	temp = *ptr;
	*ptr = *qtr;
	*qtr = temp;
 
	printf("num = %#x\n", num);           //0x78563412
 
	return 0;
}

4> 由于多字节整数需要跨主机通信，对于不同的主机存在大小端存储的不同，会导致，即使网络传输中数据无误，也会展现出错误信息

基于此，引入了网络字节序的概念，要求多字节整数，在网络中传输时，都转换为网络字节序，网络字节序是大端存储

无论主机字节序是大端还是小端存储，发送到网络之前先转换为网络字节序。当接收端接收消息后，再将网络字节序转换为主机字节序即可。

5> 系统提供了主机字节序和网络字节序相互转换的函数

网络：network

主机：host

转换：to

#include <arpa/inet.h>
 
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);      //将4字节无符号整数由主机字节序转换为网络字节序，参数是主机字节序返回值是网络字节序
 
uint16_t htons(uint16_t hostshort);     //将2字节无符号整数由主机字节序转换为网络字节序，参数是主机字节序返回值是网络字节序
 
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);      //将4字节无符号整数由网络字节序转换为主机字节序，参数是网络字节序返回值是主机字节序
 
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);      //将2字节无符号整数由网络字节序转换为主机字节序，参数是网络字节序返回值是主机字节序

#include<myhead.h>
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
	unsigned int num = 0x12345678;      //定义4字节整数
	unsigned short int key = 0x1234;     //定义2字节的整数
 
	printf("num的网络字节序值为：%#x\n", htonl(num));     //0x78563412
	printf("key的网络字节序值为：%#x\n", htons(key));     //0x3412
 
	return 0;
}

6> 何时需要进行主机字节序和网络字节序的转换

1、对多字节整数在网络中进行传输时需要进行转换

2、单字节整数不需要转换

3、字符串在网络中传输也不需要进行转换

5.2 ip地址

1> ip地址是主机在网络中的标识，每个数据包必须携带目的ip地址和原ip地址，路由器就是依照此信息进行路由选择的

2> 也是对网络标识的二级划分

3> IP地址的种类

IPv4：采用4字节无符号整数表示的ip地址，32bit 【0，2^32-1】

局域网（LAN）：local area network

广域网(WAN)：wide area network

IPv6:采用16字节无符号整数表示的IP地址，128bit 【0， 2^128-1】,IPv6不兼容IPv4

4> IP地址的划分

IP地址能够进行二级划分：将32位的IP地址分为2部分：网络号和主机号。这样额能够更加方便有效的寻径

IP = 网络号 + 主机号

网络号：确定计算机从属的网络

主机号：标识设备在该网络中的主机编号

注意：ABC类网络为基本类，可以分配给主机使用

D类网络为组播IP使用

E类网络为保留或实验室使用

A类地址	0.0.0.0~127.255.255.255	2^7（网络号）	2^24（主机号）	大型网络
B类地址	128.0.0.0~191.255.255.255	2^14	2^16	名地址网管中心
C类地址	192.0.0.0~223.255.255.255	2^21	2^8	校园网或企业网、家庭网
D类地址	224.0.0.0~239.255.255.255			组播地址
E类地址	240.0.0.0~255.255.255.255			保留

练习：以下ip地址可以分配给主机使用的有哪些？ 
A、120.1.2.3
B、130.1.2.3
C、200.1.2.3
D、255.1.2.3

5> 点分十进制

由于ip地址是一个四字节无符号整数，单独记忆起来比较困难，索性就将每个字节对应的数字转换为十进制，以点隔开，称为点分十进制

点分十进制数据是一个字符串，但是，网络中传输时，需要使用四字节无符号整数

需要使用点分十进制和无符号整数之间相互转换的函数

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

 
in_addr_t inet_addr(const char *cp);     //将点分十进制数据转换为4字节整数的网络字节序，参数时点分十进制，返回值时4字节整数
char *inet_ntoa(struct in_addr in);      //将四字节网络字节序整数转换为点分十进制，参数时4字节整数，返回值是点分十进制

案例

#include<myhead.h>
 
#define IP "192.168.125.161"
 
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
	//将IP地址的点分十进制转换为4字节整数
	in_addr_t temp = inet_addr(IP);      //网络字节序的4字节整数
 
	printf("temp = %x\n", temp);            //得到网络字节序
 
	printf("temp 的主机字节序：%#x\n", ntohl(temp));   //得到主机字节序
 
 
	struct in_addr t;
	t.s_addr = temp;
 
 
	printf("4字节网络字节序对应的点分十进制为：%s\n", inet_ntoa(t));   //网络字节序转点分十进制
 
 
	return 0;
}

5.3 子网掩码

1> 由于对于一个网络下面的主机号还是很庞大，为了进一步划分网络，我们可以将主机号再次进行划分为两部分，分别是网段号和主机号

2> 此时就引入的子网掩码的概念

3> 在引入子网掩码后，IP = 网络号 + 子网号 + 主机号

4> 子网掩码：用于ip地址的三级划分，划分时，用户可以选择划分，也可以不划分，如果不划分，就使用默认的子网掩码

定义格式：与IP地址一样长的32位整数，由一串连续的1和一串连续的0组成

默认子网掩码：1的个数与ip地址中网络号的个数保持一致，0的个数与ip地址中主机号的个数保持一致

C类网络：192.168.125.161    ---> 11111111 111111111 11111111 000000000    ----> 255.255.255.0
A类网络：58.1.2.3           ---> 11111111 000000000 00000000 00000000     ----->255.0.0.0
B类网络：150.1.2.3          ---> 11111111 11111111 00000000 00000000      ----> 255.255.0.0
D类网络和E类网络没有子网掩码

5> 子网掩码的使用：ip地址 & 子网掩码 ==> 子网网段

以192.168.125.161为例，子网掩码为255.255.255.0
 11000000 10101000 01111101 10100001
&11111111 11111111 11111111 00000000
——————————————————————————————————————
 11000000 10101000 01111101  00000000    --->192.168.125.0    子网网段
 
 以192.168.125.61为例，子网掩码为255.255.255.0
  11000000 10101000 01111101 00111101
& 11111111 11111111 11111111 00000000
——————————————————————————————————————————
  11000000 10101000 01111101  00000000    --->192.168.125.0    子网网段
  
  
  以192.168.125.161为例，子网掩码为255.255.255.128
 11000000 10101000 01111101 10100001
&11111111 11111111 11111111 10000000  
——————————————————————————————————————
 11000000 10101000 01111101 10000000     --->192.168.125.128  还可以写成：192.168.125.128/25
 
 
  以192.168.125.61为例，子网掩码为255.255.255.128
  11000000 10101000 01111101 00111101
& 11111111 11111111 11111111 10000000  
________________________________________
  11000000 10101000 01111101 00000000     --->192.168.125.0   还可以写成：192.168.125.0/24

总结：

子网网段的个数 = 2^(子网中1的个数)

子网网段下的主机个数 = 2^(子网中0的个数)

1
2

某个公司有4 部门：行政 研发 售后 营销，每个部门20台电脑接入公司局域网交换机。
如果在192.168.125.0网段划分每个部分的子网，写出所有可用的子网掩码？子网的地址范围是什么？

6> 特殊的网络

当前网络：网络加主机号为0的ip地址，例如：192.168.125.0

广播地址：网络号加主机号为255的ip地址，例如：192.168.125.255

网关地址：网络号加主机号为1的ip地址，例如：192.168.125.1

5.4 端口号（重要） —> port

1> 端口号是能够实现网络端对端的通信

2> 是主机中某个进程的标识，由于某个进程关闭后，再打开，pid会不断更改，所以，在启动一个进程时，可以指定端口号，标识该进程

3> 端口号是一个2字节的无符号整数，取值范围[0,65545]

4> 端口号的分类：

众所周知的端口号：

0~1023端口我们编程时候不要使用，是那些”VIP“应用程序占了

TCP 21端口：FTP文件传输服务

TCP 23端口：TELNET终端仿真服务

TCP 25端口：SMTP简单邮件传输服务

TCP 110端口：POP3邮局协议版本3

TCP 80端口：HTTP超文本传输服务

TCP 443端口：HTTPS加密超文本传输服务

UDP 53端口：DNS域名解析服务

UDP 69端口：TFTP文件传输服务

TCP和UDP的端口号是相互独立的

可以使用的：1024~49151，就是我们平时编写服务器使用的端口号

临时端口号：49152~65535，这部分是客户端运行时候动态选择的

5.5 域名解析

由于使用IP地址来指定计算机不方便人们记忆，且输入时候容易出错，用字符标识网络种计算机名称方法。

这种命名方法就像每个人的名字，这就是域名（Domian Name）

域名服务器（Domain Name server）：用来处理IP地址和域名之间的转换。

域名系统（Domain Name System，DNS）：域名翻译成IP地址的软件

一个域名，可以绑定多个ip

域名结构

例如域名 www.baidu.com.cn 从右向左看

cn为高级域名，也叫一级域名，它通常分配给主干节点，取值为国家名，cn代表中国

com为网络名，属于二级域名，它通常表示组织或部门

中国互联网二级域名共40个，edu表示教育部门，com表示商业部门，gov表示政府，军队mil等等

baidu为机构名，在此为三级域名，表示百度

www：万维网world wide web，也叫环球信息网，是一种特殊的信息结构框架。

总结：