网络编程之理论篇

时间 2019-11-17

原文原文链接

网络通讯做为互联网的技术支持，已被普遍应用在软件开发中，不管是Web，服务端，客户端仍是桌面应用，都是必须掌握的一门技术。web

什么是网络编程？

在软件开发层面实现远程数据交换的编程技术。
复制代码

网络编程的主要场景

基于Http/Https的web，移动端的开发；
基于TCP/UDP的IM，桌面应用的开发；
自定义协议的开发。

要熟悉网络编程，首先须要学习网络协议的相关知识。面试

网络协议

什么网络协议呢？网络协议是为网络中进行数据交换定义的规则，以实现按此规范进行传输数据，就可在整个互联网中进行数据交换的目标。因此说网络协议是网络通讯的基础。编程

网络协议中其中最著名就是TCP/IP协议族。TCP/IP协议族一般被认为是一个四层的协议系统。从上到下依次为：服务器

应用层：包括全部和应用程序协同工做，利用基础网络交换应用程序专用的数据协议，如Telnet, FTP, Http等；
运输层：负责为应用层提供端到端的通讯支持，包含TCP和UDP协议；
网络层：负责数据包在网络中的传输，包含IP， ICMP和IGMP协议；
链路层：用以处理与物理设备的交互细节，对应于操做系统中的设备驱动程序；

从TCP/IP协议族各层次的职责来看，网路数据的传递是从上到下依次传递。以Http协议为为例，具体的数据传输过程如图所示:网络

固然，这只是数据的流向，实际上网络数据在传输过程当中须要封装与分解，具体的过程如图所示（图片来源于百度图片）：socket

简单来讲，数据从本机上传到网络以前，会在TCP/IP协议族的每一层添加协议首部，到达目标主机后，目标主机再进行分解，从而获取须要的数据。学习

在众多的网络协议中，使用最普遍的应该就是TCP协议（传输控制协议）了，它是一种面向链接，可靠的，基于字节流的传输层协议。其运行过程分为三个阶段：创建链接、交换数据、断开链接。spa

TCP链接的创建与终止

在使用TCP协议交换数据前，需先创建一条链接，在不须要发送数据的时候，须要断开链接，以释放资源。操作系统

创建链接

TCP协议创建链接时须要三次握手，其过程可以使用如下场景来描述：code

面试官：说一下TCP创建链接时三次握手的过程。
小明： 三次握手？
面试官： 嗯。
小明：握手完成了。
面试官：what?
复制代码

没错，从小明开始问三次握手到说握手完成就是三次握手的过程，具体的过程以下：

客户端发向服务端发送一个SYN段，以告知客户端要链接服务端的指定端口；
服务端收到客户端的报文后，返回一个对客户端报文进行确认的ack段（SYN+1）和一个表示服务端报文的SYN段；
客户端收到服务端发送的报文后，对服务端发送一个ack（服务端的SYN+1），至此，客户端和服务端就创建了一条链接。

为何须要3次握手而不是2次呢？

由于客户端收到服务端的应答后，知道链接已创建成功，可是服务端并不知道本身发送的确认报文客户端是否收到，
因此须要客户端对服务端的报文进行确认。
复制代码

服务端必定能收到客户端发送的确认报文么？

不必定，若是收不到，那么链接就不会创建，因此，3次握手只是理论上确保创建链接的次数。那可否经过4次握手呢？
不行，再握下去就是鸡生蛋，蛋生鸡的问题了。
复制代码

断开链接

TCP断开链接时须要四次握手，为何须要4次呢？这是因为TCP半关闭的性质形成的。所谓半关闭，就是能够发送数据，却不能接收数据或只能接收数据，不能发送数据。

四次握手的过程：（因为主动断开链接可发送在客户端，也可发送在服务端，因此下面以A，B来区分两端）

A端向B端发送一个FIN, 告知A端即将断开链接；
B端收到A端发送的FIN后发送一个ack对其进行确认;
随后B端向再A端发送一个FIN，以告知B端也即将断开链接；
A端时候到B端的FIN报文后，对其发送一个ack以示确认。

B端在对A端进行确认的时候为何不一样时发一个FIN呢？能够同时发。分开发是为了考虑B端在对A端确认后，可能还会给A继续发送数据的状况。

TCP的状态变迁过程

下面以一张图来描述TCP的状态变迁过程(图片来自百度图片)

图片中的全部状态对应于TCP的创建和链接过程，下面简单介绍一下这几种状态：

LISTEN: 服务端状态，表示服务端正在等待客户端的链接请求，处于监听状态；

SYN收到：服务端状态，服务端已收到客户端的链接请求，并对客户端的请求发送了ACK确认（第二次握手完成）；

SYN_SENT: 客户端状态，客户端发送SYN或数据后的状态（第一次握手完成）；

ESTABLISHED: 客户端对服务端的SYN进行确认后处于ESTABLISHED，服务端收到客户端发送的ACK后也会处于
             ESTABLISHED状态（三次握手完成后的状态）；

FIN_WAIT_1: 主动关闭的一端的状态，发送FIN后的状态（断开链接时的第一次握手完成）；

FIN_WAIT_2: 主动关闭的一端的状态，收到另外一端的ACK确认后的状态（断开链接时的第二次握手完成）；

CLOSING：主动关闭的一端的状态，收到另外一端的FIN，并对其进行确认后的状态（客户端和服务端同时关闭的状况）；

TIME_WAIT: 主动关闭的一端的状态，，收到另外一端的FIN或（FIN和ACK）后，对其进行确认后的状态
          （断开链接时最后一次握手完成）；

CLOSE_WAIT: 被动关闭的一端的状态，收到另外一端发送的FIN并对其进行确认后的状态（断开链接时第二次握手完成）；

LAST_ACK: 被动关闭的一端的状态，发送FIN后的状态（断开链接时第三次握手完成）；

CLOSED：链接完全断开；
复制代码

TCP/IP协议族诞生以后，各个平台（Window, Unix）就按照此协议规范在系统层面为开发网络程序提供了统一的接口——Socket。经过这个面向传输层协议的系统接口，咱们可经过TCP/UDP协议快速实现网络数据的交换，同时也可用来实现应用层协议，如HTTP， SSL等。

Socket（套接字）

Socket是操做系统为上层应用实现网络数据交换提供的接口，咱们可经过如下场景来理解：

当你给别人打电话的时候首先要确认打给谁，其次确认打哪一个号码，经过这两个条件就可准确的联系到对方。那么在网络中传输数据也是一样的道理，在网络中定位主机是经过IP来实现的，一个IP表明了一台主机，可是每台主机有不少个端口号，因此要准确地与某个应用进行数据交换，除了IP地址外，还须要一个端口号。有了这两个条件，就可经过Socket实现数据交换。因而可知，Socket其实就至关于一部手机，两部手机之间创建一条通路便可实现通话。

Socket编程的步骤

客户端

建立scoket;
链接服务器；
发送、接收数据；
关闭socket链接

代码实现（Linux C编程）：

#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h> 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd = 0, n = 0;
    char recvBuff[1024];
    struct sockaddr_in serv_addr; 

    if(argc != 2)
    {
        printf("\n Usage: %s <ip of server> \n",argv[0]);
        return 1;
    } 

    memset(recvBuff, '0',sizeof(recvBuff));
    // 建立socket
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        printf("\n Error : Could not create socket \n");
        return 1;
    } 

    // 设置IP和端口
    memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr)); 
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(5000); 

    if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &serv_addr.sin_addr)<=0)
    {
        printf("\n inet_pton error occured\n");
        return 1;
    } 
    // 链接到指定的IP和端口 -> 链接成功后即三次握手完成
    if( connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
    {
       printf("\n Error : Connect Failed \n");
       return 1;
    } 
    // 读数据
    while ( (n = read(sockfd, recvBuff, sizeof(recvBuff)-1)) > 0)
    {
        recvBuff[n] = 0;
        if(fputs(recvBuff, stdout) == EOF)
        {
            printf("\n Error : Fputs error\n");
        }
    } 

    if(n < 0)
    {
        printf("\n Read error \n");
    } 
    close(scokfd);
    
    return 0;
}
复制代码

服务端

建立socket;
绑定IP和端口；
监听客户端的链接；
接收客户端的链接；
发送、接收数据
关闭socket链接；

代码实现：（Linux C编程）

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h> 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int listenfd = 0, connfd = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr; 

    char sendBuff[1025];
    time_t ticks; 
    
    // 建立socket
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr));
    memset(sendBuff, '0', sizeof(sendBuff)); 
    
    // 绑定IP地址和端口
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(5000); 
    bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)); 
    
    // 监听客户端口的链接请求 -> 对应于状态图中的LISTEN状态
    listen(listenfd, 10); 
    while(1)
    {
        // 接收客户端的请求 -> 与客户端三次握手完成
        connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL); 
        ticks = time(NULL);
        snprintf(sendBuff, sizeof(sendBuff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
        
        // 向客户端发送数据
        write(connfd, sendBuff, strlen(sendBuff)); 

        // 关闭socket
        close(connfd);
        sleep(1);
     }
}
复制代码

代码出处 https://www.thegeekstuff.com/2011/12/c-socket-programming/

经过以上代码，咱们对socket有了一个简单的认识，同时也了解了数据交换的基本流程。后面会对基于TCP协议的HTTP协议进行一个详细的介绍。

参考资料

TCP/IP协议族

传输控制协议

《TCP/IP详解卷一》