uc_14_IP地址_套接字

1 计算机网络

计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

网络协议是一种特殊的软件，是计算机网络实现其功能的最基本的机制。网络协议的本质就是规则，即各种硬件和软件必须遵循的共同守则。网络协议并不是一套单独的软件，它融合于其他所有的软件甚至硬件系统中，因此可以说协议在网络中无所不在。

为了减少网络设计的复杂性，绝大多数网络采用分层设计的方法。所谓分层设计，就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。各层的协议和结构统称为协议栈。

描述计算机网络各协议层的一般方法是采用国际标准化组织（International Standardization Organization）的计算机通信开放系统互联(Open System Interconnection)模型，简称ISO/OSI网络协议模型：

TCP/IP：

TCP/IP不是个单一的网络协议，而是由一组具有层次关系的网络协议组成的协议家族，简称TCP/IP协议族：

TCP：传输控制协议，面向连接，可靠的全双工的字节流

UDP：用户数据报协议，无连接，不如TCP可靠但速度快

ICMP：网际控制消息协议，处理路由器和主机间的错误和控制消息

IGMP：网际组管理协议，用于多播

IPv4：网际协议版本4，使用32位地址，为TCP、UDP、ICMP、IGMP提供递送分组服务

IPv6：网际协议版本6，使用128位地址，为TCP、UDP、ICMPv6提供递送分组服务

ARP：地址解析协议，把IPv4地址映射到硬件地址

RARP：逆地址解析协议，把硬件地址映射到IPv4地址

ICMPv6：网际控制消息协议版本6，总和了ICMP、IGMP、ARP的功能

BPF：BSD分组过滤器，为应用程序提供访问数据链路层的接口，由源自BSD的系统内核

提供

DLPI：数据链路提供者接口，为应用程序提供访问数据链路层的接口，由源自SVR4的系统

内核提供

在ISO/OSI网络协议模型的基础上，TCP/IP协议做了部分合并和简化，同时将网络编程的接口设定在传输层与会话层之间，这样做的理由有二：

1）上三层与应用程序的业务逻辑（如数据包的组织与解析、收发的时机与次序等）密切相关，而与具体的通信细节（如收发分组、等待确认、分组排序、计算验证校验、丢包重传等）关系不大；下四层主要处理通信细节而与具体应用的业务逻辑无关。

2）上三层通常构成用户进程，而下四层通常是系统内核的一部分。

消息包和消息流：

应用程序负责组织的通常都是与业务相关的数据内容，而要想把这些数据内容通过网络发送出去，就要将其自上而下地压入协议栈，每经历一个协议层，就会对数据做一层封包，每一层输出的封包都是下一层输入的内容，消息包沿着协议栈的运动形成了消息流。

当从网络上接收数据时，过程刚好相反，消息包自下而上地流经协议栈，每经历一个协议层，就会对输入的数据解一层封包，经过层层解包以后，应用程序最终得到的将只是与业务相关的数据内容。数据的封装和解析过程：

2 IP地址

IP地址，全称网际协议地址（Internet Protocol Address），是IP协议提供的一种统一的地址格式，为互联网上的每个网络和每台主机分配一个逻辑地址，借以消除物理地址差异性所带来的影响。

百度查到是公网IP：106.222.188.106 ，包含若干私网IP

ifconfig查是私网IP：192.168.221.68

在计算机内部，IP地址用一个32位的无符号整数表示，如：0x01020304

人们更习惯使用点分十进制字符串表示，如：1.2.3.4。字符串形式的从左到右，对应整数形式的高字节到低字节。注意这里所说的高低指的是数位高低而非地址高低。

IP地址分级：

A级地址：以0为首的8位网络地址 +24位本地地址

B级地址：以10为首的16位网络地址 +16位本地地址

C级地址：以110为首的24为网络地址 +8位本地地址

D级地址：以1110为首的32位多播地址

如某计算机的IP地址：192.168.182.48是C级地址，网络地址192.168.182.0，本地地址48。

借助子网掩码可以快速帮我们确定IP地址的网络地址和本地地址：

网络地址 = IP地址 & 子网掩码

192.168.182.48 & 255.255.255.0 = 192.168.182.0

本地地址 = IP地址 & ~子网掩码

192.168.182.48 & 0.0.0.255 = 0.0.0.48

3 套接字socket

3.0 理论

套接字(socket)本意是电源插座，这里将其引申为一个基于TCP/IP协议可实现基本网络通信功能的逻辑对象。

机器与机器的通信，或者进程与进程的通信，在这里都可以被抽象地看作是套接字与套接字的通信。

应用程序编写者无需了解网络协议的任何细节，更无需知晓系统内核和网络设别的运作机制，只要把想发送的数据写入套接字，或从套接字中读取想接收的数据即可。

从这个意义上讲，套接字就相当于一个文件描述符，而网络就是一种特殊的文件，面向网络的编程与面向文件的编程已没有分别，而这恰恰是Unix系统一切皆文件思想的又一例证。

套接字是对ISO/OSI网络协议模型中传输层及其以下诸层的逻辑抽象，是对TCP/IP网络通信协议的高级封装，因此无论所依赖的是什么硬件，所运行的什么操作系统，所使用的是什么编程语言，只要是基于套接字构建的应用程序，只要是在互联网环境中通信，就不会存在任何障碍。

如前所述，套接字是一个提供给程序员使用的逻辑对象，它表示对ISO/OSI网络协议模型中传输层及其以下诸层的抽象。但真正发送和接收数据的毕竟是大写实实在在的物理设备。这就需要在物理设备和逻辑对象之间建立一种关联，使后续所有针对这个逻辑对象的操作，最终都能够反映到实际的物理设备上。建立这种关联关系的过程就叫做绑定：

绑定只是把套接字对象和一个代表自己的物理设备关联起来。为了实现通信还需要把自己的物理设备与对方的物理设备关联起来。只有这样才能建立起一种物理设备为媒介的，跨越不同进程甚至机器的，多个套接字对象之间的联系。建立这种联系的过程叫做连接：

3.1 socket()

#include <sys/socket.h>

int socket ( int domain, int type, int protocol );

功能：创建套接字

domain：通信域，协议族，可取以下值

PF_LOCAL / PF_UNIX 本地套接字，进程间通信

PF_INET 基于IPv4的网络通信

PF_INET6 基于IPv6的网络通信

PF_PACKET 基于底层包的网络通信

type：套接字类型，可取以下值

SOCK_STREAM 流式套接字，基于TCP协议

SOCK_DGRAM 数据报套接字，基于UDP协议

SOCK_RAW 原始套接字，工作在传输层以下

protocol：特殊协议，对于流式和数据报套接字而言，只能取0

返回值：成功返回表示套接字对象的文件描述符，失败返回-1

套接字接口库通过地址结构定位一个通信主体，可以是一个文件，可以是一台远程主机，也可以是执行者自己：

-基本地址结构，本身没有实际意义，仅用于泛型化参数

struct sockaddr {

sa_family_t sa_family; // 地址族

char sa_data[14]; // 地址值

};

-本地地址结构，用于AF_LOCAL/AF_UNIX域的本地通信

struct sockaddr_un {

sa_family_t sun_family; // 地址族(AF_LOCAL/AF_UNIX)

char sun_path[]; // 本地套接字文件的路径

}

-网络地址结构，用于AF_INET域的IPv4网络通信

struct sockaddr_in {

sa_family_t sin_family; // 地址族（AF_INET）

in_port_t sin_port; // 端口号(0~65535) -unsigned short

struct in_addr sin_addr; // IP地址 -unsigned int

}

-网络地址结构，用于AF_INET域的IPv4网络通信

struct in_addr {

in_addr_t s_addr;

}

typedef uint16_t in_port_t; // 无符号16位正数

typedef unit32_t in_addr_t; // 无符号32位正数

如前所述，通过IP地址可以定位网络上的一台主机，但一台主机上可能同时有多个网络应用在运行，究竟想跟哪个网络应用通信呢？这就需要靠端口号来区分，因为不同的网络应用会使用不同的端口号。用IP地址定位主机，再用端口号定位运行在这台主机上一个具体的网络应用，这样一种对通信主体的描述才是唯一确定的。

套接字接口库中的端口号被定义为一个16位的无符号整数，0~65535，其中0~1024已被系统和一些网络服务占据：

21端口 ftp服务

23端口 telnet服务

89端口 www服务

3306端口数据库服务器

因此一般程序最好选择1024以上的端口号，以避免和这些服务冲突。

3.2 bind()

#include <sys/socket.h>

int bind ( int sockfd, struct sockaddr const* addr, socklen_t addrlen );

功能：将套接字和本地的地址结构绑定在一起

sockfd：套接字描述符

addr：自己的地址结构

addrlen：地址结构的字节数

返回值：成0败-1

3.3 connect()

#include <sys/socket.h>

int connect ( int sockfd, struct sockaddr const* addr, socklen_t addrlen );

功能：将套接字和对方的地址结构连接在一起

sockfd：套接字描述符

addr：对方的地址结构

addrlen：地址结构的字节数

返回值：成0败-1

4 字节序转换

网络应用与单击应用不同，经常需要在具有不同硬件架构和操作系统的计算机之间交换数据，因此编程语言里一些多字节数据类型的字节序问题就特别予以关注。

套接字接口库规定在网络传输过程中采用网络字节序，也就是大端字节序，而本机数据可能是小端字节序。

主机：小端字节序：数据的低位存放在低地址

网络：大端字节序：数据的低位存放在高地址

转换函数：

uint32_t htonl ( uint32_t hostlong ); // 长整型主机字节序到网络字节序

uint32_t ntohl ( uint32_t netlong ); // 长整型网络字节序到主机字节序

uint16_t htons ( uint16_t hostshort ); // 短整型主机字节序到网络字节序

uint16_t ntohs ( uint16_t netshort ); // 短整型网络字节序到主机字节序

in_addr_t inet_addr ( char const* ip ); // 点分十进制字符串地址到网络字节序形式整数地址

int inet_aton ( char const* ip, struct in_addr* nip );

// 点分十进制字符串地址到网络字节序形式整数地址

char* inet_ntoa ( struct in_addr nip ); // 网络字节序形式整数地址到点分十进制字符串地址