网络编程中的基本概念

什么是socket？

socket可以看成是用户进程与内核网络协议栈的编程接口。
socket不仅可以用于本机的进程间通信，还可以用于网络上不同主机的进程间通信。

　　Socket本身有“插座”的意思，在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。
　　既然是文件，那么理所当然的，我们可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的，Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是管道主要应用于本地进程间通信，而套接字多应用于网络进程间数据的传递。
　　套接字的内核实现较为复杂，不宜在学习初期深入学习。
　　在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口号”就对应一个socket。欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。
套接字通信原理如下图所示：

　　在网络通信中，套接字一定是成对出现的。一端的发送缓冲区对应对端的接收缓冲区。我们使用同一个文件描述符索发送缓冲区和接收缓冲区。
　　TCP/IP协议最早在BSD UNIX上实现，为TCP/IP协议设计的应用层编程接口称为socket API。本章的主要内容是socket API，主要介绍TCP协议的函数接口，最后介绍UDP协议和UNIX Domain Socket的函数接口。

IPv4套接口地址结构

　　IPv4套接口地址结构通常也称为“网际套接字地址结构”，它以“sockaddr_in”命名，定义在头文件<netinet/in.h>中

struct sockaddr_in {
uint8_t  sin_len; 4
sa_family_t  sin_family; 4
in_port_t   sin_port; 2
struct in_addr  sin_addr; 4
char sin_zero[8]; 8
};

sin_len：整个sockaddr_in结构体的长度，在4.3BSD-Reno版本之前的第一个成员是sin_family.
sin_family：指定该地址家族，在这里必须设为AF_INET(TCP/IP)
sin_port：端口
sin_addr：IPv4的地址；
sin_zero：暂不使用，一般将其设置为0

通用地址结构

　　通用地址结构用来指定与套接字关联的地址。

struct sockaddr {uint8_t  sin_len;sa_family_t  sin_family;char sa_data[14]; //14
};

sin_len：整个sockaddr结构体的长度
sin_family：指定该地址家族
sa_data：由sin_family决定它的形式。

再说sockaddr数据结构

　　strcut sockaddr 很多网络编程函数诞生早于IPv4协议，那时候都使用的是sockaddr结构体,为了向前兼容，现在sockaddr退化成了（void *）的作用，传递一个地址给函数，至于这个函数是sockaddr_in还是sockaddr_in6，由地址族确定，然后函数内部再强制类型转化为所需的地址类型。
　　

sockaddr数据结构

struct sockaddr {sa_family_t sa_family;      /* address family, AF_xxx */char sa_data[14];           /* 14 bytes of protocol address */
};

　　使用 sudo grep -r “struct sockaddr_in {” /usr 命令可查看到struct sockaddr_in结构体的定义。一般其默认的存储位置：/usr/include/linux/in.h 文件中。

struct sockaddr_in {__kernel_sa_family_t sin_family;            /* Address family */    地址结构类型__be16 sin_port;                            /* Port number */       端口号struct in_addr sin_addr;                    /* Internet address */  IP地址/* Pad to size of `struct sockaddr'. */unsigned char __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];
};struct in_addr {                        /* Internet address. */__be32 s_addr;
};struct sockaddr_in6 {unsigned short int sin6_family;         /* AF_INET6 */__be16 sin6_port;                   /* Transport layer port # */__be32 sin6_flowinfo;               /* IPv6 flow information */struct in6_addr sin6_addr;          /* IPv6 address */__u32 sin6_scope_id;                /* scope id (new in RFC2553) */
};struct in6_addr {union {__u8 u6_addr8[16];__be16 u6_addr16[8];__be32 u6_addr32[4];} in6_u;#define s6_addr         in6_u.u6_addr8#define s6_addr16   in6_u.u6_addr16#define s6_addr32       in6_u.u6_addr32
};#define UNIX_PATH_MAX 108struct sockaddr_un {__kernel_sa_family_t sun_family;    /* AF_UNIX */char sun_path[UNIX_PATH_MAX];   /* pathname */
};

　　Pv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位端口号和32位IP地址，IPv6地址用sockaddr_in6结构体表示，包括16位端口号、128位IP地址和一些控制字段。UNIX Domain Socket的地址格式定义在sys/un.h中，用sock-addr_un结构体表示。各种socket地址结构体的开头都是相同的，前16位表示整个结构体的长度（并不是所有UNIX的实现都有长度字段，如Linux就没有），后16位表示地址类型。IPv4、IPv6和Unix Domain Socket的地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX。这样，只要取得某种sockaddr结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。因此，socket API可以接受各种类型的sockaddr结构体指针做参数，例如bind、accept、connect等函数，这些函数的参数应该设计成void 类型以便接受各种类型的指针，但是sock API的实现早于ANSI C标准化，那时还没有void 类型，因此这些函数的参数都用struct sockaddr *类型表示，在传递参数之前要强制类型转换一下，例如：

struct sockaddr_in servaddr;
bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));        /* initialize servaddr */

网络字节序

大端字节序（Big Endian)
最高有效位（MSB：Most Significant Bit）存储于最低内存地址处，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）存储于最高内存地址处。
小端字节序（Little Endian）
最高有效位（MSB：Most Significant Bit）存储于最高内存地址处，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）存储于最低内存地址处。
主机字节序
不同的主机有不同的字节序，如x86为小端字节序，Motorola 6800为大端字节序，ARM字节序是可配置的。
网络字节序
网络字节序规定为大端字节序

字节序转换函数

    uint32_t htonl(uint32_t hostlong);uint16_t htons(uint16_t hostshort);uint32_t ntohl(uint32_t netlong);uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

说明：在上述的函数中，h代表host；n代表network s代表short；l代表long

地址转换函数

早期：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

只能处理IPv4的ip地址
不可重入函数
注意参数是struct in_addr
现在：

    #include <arpa/inet.h>int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

支持IPv4和IPv6
可重入函数
其中inet_pton和inet_ntop不仅可以转换IPv4的in_addr，还可以转换IPv6的in6_addr。
因此函数接口是void *addrptr。

套接字类型

流式套接字(SOCK_STREAM)
提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据无差错，无重复的发送，且按发送顺序接收。
数据报式套接字(SOCK_DGRAM)
提供无连接服务。不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。
原始套接字（SOCK_RAW）

什么是协议

　　从应用的角度出发，协议可理解为“规则”，是数据传输和数据的解释的规则。
假设，A、B双方欲传输文件。规定：
* 第一次，传输文件名，接收方接收到文件名，应答OK给传输方；
* 第二次，发送文件的尺寸，接收方接收到该数据再次应答一个OK；
* 第三次，传输文件内容。同样，接收方接收数据完成后应答OK表示文件内容接收成功。
　　由此，无论A、B之间传递何种文件，都是通过三次数据传输来完成。A、B之间形成了一个最简单的数据传输规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。
　　这种仅在A、B之间被遵守的协议称之为原始协议。当此协议被更多的人采用，不断的增加、改进、维护、完善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议，被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。最早的ftp协议就是由此衍生而来。
　　TCP协议注重数据的传输。http协议着重于数据的解释。

典型协议

传输层 常见协议有TCP/UDP协议。
应用层 常见的协议有HTTP协议，FTP协议。
网络层 常见协议有IP协议、ICMP协议、IGMP协议。
网络接口层 常见协议有ARP协议、RARP协议。
TCP传输控制协议 （Transmission Control Protocol）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用户数据报协议 （User Datagram Protocol）是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。
HTTP超文本传输协议 （Hyper Text Transfer Protocol）是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。
FTP文件传输协议（File Transfer Protocol）
IP协议是因特网互联协议（Internet Protocol）
ICMP协议是Internet控制报文协议（Internet Control Message Protocol）它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。
IGMP协议是 Internet 组管理协议（Internet Group Management Protocol），是因特网协议家族中的一个组播协议。该协议运行在主机和组播路由器之间。
ARP协议是正向地址解析协议（Address Resolution Protocol），通过已知的IP，寻找对应主机的MAC地址。
RARP是反向地址转换协议，通过MAC地址确定IP地址。

网络应用程序设计模式

C/S模式
传统的网络应用设计模式，客户机(client)/服务器(server)模式。需要在通讯两端各自部署客户机和服务器来完成数据通信。
B/S模式
浏览器()/服务器(server)模式。只需在一端部署服务器，而另外一端使用每台PC都默认配置的浏览器即可完成数据的传输。
优缺点
对于C/S模式来说，其优点明显。客户端位于目标主机上可以保证性能，将数据缓存至客户端本地，从而提高数据传输效率。且，一般来说客户端和服务器程序由一个开发团队创作，所以他们之间所采用的协议相对灵活。可以在标准协议的基础上根据需求裁剪及定制。例如，腾讯公司所采用的通信协议，即为ftp协议的修改剪裁版。
因此，传统的网络应用程序及较大型的网络应用程序都首选C/S模式进行开发。如，知名的网络游戏魔兽世界。3D画面，数据量庞大，使用C/S模式可以提前在本地进行大量数据的缓存处理，从而提高观感。
C/S模式的缺点也较突出。由于客户端和服务器都需要有一个开发团队来完成开发。工作量将成倍提升，开发周期较长。另外，从用户角度出发，需要将客户端安插至用户主机上，对用户主机的安全性构成威胁。这也是很多用户不愿使用C/S模式应用程序的重要原因。

B/S模式相比C/S模式而言，由于它没有独立的客户端，使用标准浏览器作为客户端，其工作开发量较小。只需开发服务器端即可。另外由于其采用浏览器显示数据，因此移植性非常好，不受平台限制。如早期的偷菜游戏，在各个平台上都可以完美运行。
B/S模式的缺点也较明显。由于使用第三方浏览器，因此网络应用支持受限。另外，没有客户端放到对方主机上，缓存数据不尽如人意，从而传输数据量受到限制。应用的观感大打折扣。第三，必须与浏览器一样，采用标准http协议进行通信，协议选择不灵活。
因此在开发过程中，模式的选择由上述各自的特点决定。根据实际需求选择应用程序设计模式。

OSI七层模型

1. 物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后再转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。
2. 数据链路层：定义了如何让格式化数据以帧为单位进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。如：串口通信中使用到的115200、8、N、1
3. 网络层：在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。
4. 传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）。主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。
5. 会话层：通过传输层(端口号：传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）。
6. 表示层：可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。例如，PC程序与另一台计算机进行通信，其中一台计算机使用扩展二一十进制交换码(EBCDIC)，而另一台则使用美国信息交换标准码（ASCII）来表示相同的字符。如有必要，表示层会通过使用一种通格式来实现多种数据格式之间的转换。
7. 应用层：是最靠近用户的OSI层。这一层为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络服务。

TCP/IP四层模型

TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层。如下图所示：

一般在应用开发过程中，讨论最多的是TCP/IP模型

通信过程

两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示：

上图对应两台计算机在同一网段中的情况，如果两台计算机在不同的网段中，那么数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器，如下图所示：

链路层有以太网、令牌环网等标准，链路层负责网卡设备的驱动、帧同步（即从网线上检测到什么信号算作新帧的开始）、冲突检测（如果检测到冲突就自动重发）、数据差错校验等工作。交换机是工作在链路层的网络设备，可以在不同的链路层网络之间转发数据帧（比如十兆以太网和百兆以太网之间、以太网和令牌环网之间），由于不同链路层的帧格式不同，交换机要将进来的数据包拆掉链路层首部重新封装之后再转发。
网络层的IP协议是构成Internet的基础。Internet上的主机通过IP地址来标识，Inter-net上有大量路由器负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包，数据包从Internet上的源主机到目的主机往往要经过十多个路由器。路由器是工作在第三层的网络设备，同时兼有交换机的功能，可以在不同的链路层接口之间转发数据包，因此路由器需要将进来的数据包拆掉网络层和链路层两层首部并重新封装。IP协议不保证传输的可靠性，数据包在传输过程中可能丢失，可靠性可以在上层协议或应用程序中提供支持。
网络层负责点到点（ptop，point-to-point）的传输（这里的“点”指主机或路由器），而传输层负责端到端（etoe，end-to-end）的传输（这里的“端”指源主机和目的主机）。传输层可选择TCP或UDP协议。
TCP是一种面向连接的、可靠的协议，有点像打电话，双方拿起电话互通身份之后就建立了连接，然后说话就行了，这边说的话那边保证听得到，并且是按说话的顺序听到的，说完话挂机断开连接。也就是说TCP传输的双方需要首先建立连接，之后由TCP协议保证数据收发的可靠性，丢失的数据包自动重发，上层应用程序收到的总是可靠的数据流，通讯之后关闭连接。
UDP是无连接的传输协议，不保证可靠性，有点像寄信，信写好放到邮筒里，既不能保证信件在邮递过程中不会丢失，也不能保证信件寄送顺序。使用UDP协议的应用程序需要自己完成丢包重发、消息排序等工作。
目的主机收到数据包后，如何经过各层协议栈最后到达应用程序呢？其过程如下图所示：

以太网驱动程序首先根据以太网首部中的“上层协议”字段确定该数据帧的有效载荷（payload，指除去协议首部之外实际传输的数据）是IP、ARP还是RARP协议的数据报，然后交给相应的协议处理。假如是IP数据报，IP协议再根据IP首部中的“上层协议”字段确定该数据报的有效载荷是TCP、UDP、ICMP还是IGMP，然后交给相应的协议处理。假如是TCP段或UDP段，TCP或UDP协议再根据TCP首部或UDP首部的“端口号”字段确定应该将应用层数据交给哪个用户进程。IP地址是标识网络中不同主机的地址，而端口号就是同一台主机上标识不同进程的地址，IP地址和端口号合起来标识网络中唯一的进程。
虽然IP、ARP和RARP数据报都需要以太网驱动程序来封装成帧，但是从功能上划分，ARP和RARP属于链路层，IP属于网络层。虽然ICMP、IGMP、TCP、UDP的数据都需要IP协议来封装成数据报，但是从功能上划分，ICMP、IGMP与IP同属于网络层，TCP和UDP属于传输层。