CSAPP--第十一章：網(wǎng)絡(luò)編程
客戶端-服務(wù)器模型
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網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都是基于客戶端-服務(wù)器模型却盘。
一個應(yīng)用由一個服務(wù)器進(jìn)程和多個客戶端進(jìn)程構(gòu)成窘游。事務(wù)：模型中的基本操作，包含四步：
①客戶端進(jìn)程發(fā)送請求
②服務(wù)器進(jìn)程接收請求寺庄，并與其存儲設(shè)備交互進(jìn)行處理艾蓝。
③服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送響應(yīng)。
④客戶端進(jìn)程處理響應(yīng)斗塘。
事務(wù)
網(wǎng)絡(luò)
客戶端和服務(wù)端通常運(yùn)行在不同主機(jī)上赢织，通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件來通信。
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LAN（Local Area Network）
局域網(wǎng)馍盟，其包含的主機(jī)位置范圍最小于置，通常在一個建筑內(nèi)。
以太網(wǎng)（Ethernet）： 現(xiàn)在最流行的局域網(wǎng)技術(shù)贞岭。
局域網(wǎng)內(nèi)八毯，各主機(jī)通過集線器進(jìn)行連接。如下圖：
網(wǎng)絡(luò)硬件組成
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網(wǎng)橋（bridge）：用于連接多個以太網(wǎng)段瞄桨，形成較大的局域網(wǎng)（橋接以太網(wǎng)）话速。
如下圖：
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WAN（Wide-Area network）：
廣域網(wǎng)，其將不同局域網(wǎng)連接在一起芯侥，因?yàn)榈乩矸秶染钟蚓W(wǎng)大泊交，取名廣域網(wǎng)。
如下圖：
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
不同的主機(jī)，其采用的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)可能不兼容活合，所以提出一個協(xié)議雏婶，消除主機(jī)間的通信障礙。
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協(xié)議功能：
①命名機(jī)制：采取同一套地址命名機(jī)制白指。
②傳送機(jī)制：定義一種通用的數(shù)據(jù)包：包頭 + 有效荷載留晚。包頭記載了源和目的主機(jī)的地址、及包大小等信息告嘲。
全球IP因特網(wǎng)
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TCP/IP協(xié)議（Transmission Control Protocol错维，傳輸控制協(xié)議 / Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）
TCP/IP是一個協(xié)議簇橄唬，每個協(xié)議提供不同功能赋焕。TCP比IP更復(fù)雜。
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IP協(xié)議：提供了基本命名方式和傳送機(jī)制仰楚。
實(shí)現(xiàn)從一個主機(jī)隆判，往另一個主機(jī)傳送包，也稱數(shù)據(jù)報僧界。
其對丟包不會試圖恢復(fù)侨嘀。
UDP協(xié)議（Unreliable Datagram Protocol，不可靠數(shù)據(jù)報協(xié)議）
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TCP協(xié)議：構(gòu)建在IP協(xié)議之上的復(fù)雜協(xié)議捂襟，提供進(jìn)程間可靠的雙向連接咬腕。
因特網(wǎng)應(yīng)用程序的軟件和硬件
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IPv4、IPv6
因特網(wǎng)協(xié)議版本4 （32位地址）
1996年提出的因特網(wǎng)版本協(xié)議6 （128位地址）：如今用戶還不多葬荷。
IP地址 //以下針對 IPv4
ip地址是32位無符號整數(shù)涨共。網(wǎng)絡(luò)程序?qū)p地址存放在：ip地址結(jié)構(gòu)中。
ps：其導(dǎo)致了麻煩的操作宠漩，每次使用要建立結(jié)構(gòu)體举反，再取其中的值，很麻煩：骞隆Ｕ罩！
struct in_addr{
unit32_t s_addr; /* 網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序中統(tǒng)一為大端順序 */
}瘦陈；
網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序（network byte order）為大端字節(jié)順序凝危。
所以對于小端機(jī)器中，會進(jìn)行字節(jié)順序（32位）轉(zhuǎn)換晨逝。
Unix提供的轉(zhuǎn)換函數(shù)：
#inlcude<arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong ); //host to network
uint16_t htonl(uint16_t hostshort );
uint32_t ntohl(uint32_t netlong ); //network to host
uint16_t ntohl(uint16_t netshort );
ps:沒有對應(yīng)的64位的函數(shù)蛾默。
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點(diǎn)分十進(jìn)制表示法
用來表示ip地址的一種方法。
如0x00000000 -> 0.0.0.0
? 二進(jìn)制 點(diǎn)分十進(jìn)制
應(yīng)用程序通過inet_pton 捉貌、inet_ntop函數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換焚碌。
#include<arpa/inet.h> int inet_pton(AF_INET, const char *src, void *dst); //成功返回1，src非法時點(diǎn)分十進(jìn)制地址為0支竹，出錯為-1； const char *inet_ntop(AF_INET, const void *src, char *dst, socklen_t size); //成功返回指向點(diǎn)分十進(jìn)制字符串的指針急前，錯誤為NULL說明：以上兩個函數(shù)中，網(wǎng)絡(luò)地址的值是在結(jié)構(gòu)體中瀑构，所以要先設(shè)置結(jié)構(gòu)體裆针，然后取其中的值。
編寫中出錯了蠻多寺晌。
具體看linux 中的網(wǎng)絡(luò)編程文件夾下的ntop.c 世吨、 pton.c。
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因特網(wǎng)域名
域名：一串用句號分隔的單詞（字母呻征、數(shù)字耘婚、破折號）。例如：www.baidu.com
域名層次結(jié)構(gòu)（樹狀）：
分為多層域名--
第一層為ICANN協(xié)會定義的陆赋，包括com沐祷、edu、gov攒岛、org戈轿、net等。
第二層為先到先分配的阵子。一個組織得到了二級域名后，就可以在子域（節(jié)點(diǎn)的子樹）中創(chuàng)建任何新的域名胜蛉。如：cmu.edu cs.cmu.edu
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域名挠进、IP地址映射
1988年之前，都是用HOSTS.TXT的 文本文件來手工維護(hù)誊册。
1988年后领突，通過世界范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)庫DNS（Domain Name System：域名系統(tǒng)）來維護(hù)。
DNS數(shù)據(jù)庫：有上百萬條 主機(jī)條目結(jié)構(gòu) 組成案怯，每條主機(jī)條目結(jié)構(gòu)定義了一組域名和IP地址之間的映射君旦。
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映射關(guān)系：
一對一 映射
多個域名映射一個IP地址
一個域名映射多個IP地址（同一組）
多個域名映射同一組多個IP地址
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因特網(wǎng)連接
因特網(wǎng)中，客戶端和服務(wù)器通過在連接上發(fā)送和接收字節(jié)流來通信嘲碱。
從連接一對進(jìn)程而言金砍，其是：點(diǎn)對點(diǎn)的。
從數(shù)據(jù)雙向流動而言麦锯，其是：全雙工的恕稠。
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套接字（socket）：
連接的一個端點(diǎn)。
其內(nèi)容為IP地址加上16位的整數(shù)端口組成扶欣。（非硬件而是軟件端口）
如：127.0.0.1：51212
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臨時端口（ephemeral port）：
當(dāng)客戶端發(fā)起連接請求時鹅巍，客戶端套接字地址中的端口千扶，是由內(nèi)核自動分配的。稱為臨時端口骆捧。
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知名端口：
服務(wù)器中澎羞，套接字地址的端口常常是和服務(wù)綁定的，如web服務(wù)器通常使用端口80敛苇，電子郵件服務(wù)器通常使用端口25等妆绞。稱為知名端口。
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套接字對（socket pair）：
由連接兩端的套接字接谨，唯一確定摆碉。（cliaddr : cliport，servaddr：servport）
網(wǎng)絡(luò)套接字
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套接字接口（socket inerface）
其是一組函數(shù)脓豪，與Unix I/O結(jié)合起來巷帝，用以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
套接字地址結(jié)構(gòu)
①從內(nèi)核角度看扫夜，套接字是通信的一個端點(diǎn)楞泼。
②從linux程序看，套接字是一個有相應(yīng)描述符的打開文件笤闯。
因特網(wǎng)的套接字地址存放在一個結(jié)構(gòu)體中：sockaddr_in （16字節(jié)）
/* IP socket addr structure */ struct sockaddr_in{ uint16_t sin_family; /*socket family(always AF_INET)*/ uint16_t sin_port; /*port number in network byte order*/ struct in_addr sin_addr;/*IP address in network byte order*/ unsigned char sin_zeor[8];/*pad to sizeof(struct sockaddr)*/ }; /*generic socket addr structure(for connect,bind,accept)*/ struct sockaddr{ uint16_t sa_family; /*protocol family*/ char sa_data[14];/*address data*/ };
實(shí)際客戶端-服務(wù)器的訪問流程如下圖：
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相關(guān)函數(shù)
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socket函數(shù)
客戶端和服務(wù)器使用socket函數(shù)來創(chuàng)建一個套接字描述符（socket descriptor）
客戶端和服務(wù)器都首先要用這個函數(shù)堕阔。
#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> int socket(int domain,int type,int protocol); //成功返回非負(fù)數(shù)描述符，出錯返回-1颗味； /* 如：clientFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM超陆，0);AF_INET：指明32位IP地址。SOCK_STREAM：這個套接字是連接的一個端點(diǎn)浦马。*/此時僅是部分打開时呀，并不能進(jìn)行讀寫，根據(jù)客戶端和服務(wù)器使用不同的方式完全打開晶默。
這幾個函數(shù)最好用getaddrinfo函數(shù)來賦予參數(shù)谨娜。
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connect函數(shù)
客戶端用來與套接字地址為addr 的服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。
#incldue<sys/sokcet.h> int connect(int clientfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); //成功返回0磺陡，出錯返回-1. 描述符保存在clientfd中趴梢。 //addrlen=sizeof（sockaddr_in）當(dāng)成功時，clientfd就可以讀寫了币他。此時套接字對為：
(x:y , addr.sin_addr : addr.sin_port)
x：客戶端IP坞靶。y：客戶端臨時端口。其唯一確定了客戶端主機(jī)的某個進(jìn)程圆丹。
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bind函數(shù)
socket滩愁、connect函數(shù)：客戶端用來與服務(wù)器建立連接。（依次）
socket辫封、bind硝枉、listen廉丽、accpet：服務(wù)器用來與客戶端建立連接。（依次）
bind函數(shù)將一個套接字地址和一個套接字描述符綁定起來（如socket剛剛建立的）妻味。
#include<sys/socket.h> int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen); //成功范圍0正压，出錯-1. -
listen函數(shù)
listen函數(shù)將一個主動套接字描述符（如bind轉(zhuǎn)化后的sockfd）轉(zhuǎn)化為監(jiān)聽套接字（listening socket），其可以接收客戶端的連接請求责球。
說明：無論客戶段服務(wù)器焦履，內(nèi)核默認(rèn)套接字為主動套接字。所以服務(wù)器要將其轉(zhuǎn)換為監(jiān)聽套接字雏逾，說明自己是服務(wù)器端嘉裤。
#include<sys/socket.h> int listen(int sockfd, int backlog); //backlog的確切含義要求對TCP\IP協(xié)議有理解。CSAPP將其設(shè)置為較 //大的值如：1024-
accept函數(shù)
服務(wù)器通過調(diào)用accept函數(shù)來等待來自客戶端的連接請求（connect）
#include<sys/socket.h> int accept(int listenfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen); //成功返回已連接描述符栖博，出錯返回-1 //結(jié)構(gòu) addr用來安置客戶端過來的套接字地址（在結(jié)構(gòu)中一一替換） -
會返回一個已連接描述符屑宠，用這個描述符，可以與客戶端進(jìn)行Unix I/O讀寫仇让。
注意：監(jiān)聽描述符和已連接描述符都會存在于描述符列表中典奉。
實(shí)際步驟：
①服務(wù)器調(diào)用accept，等待連接請求到達(dá)監(jiān)聽描述符丧叽。（假設(shè)=3）
②客戶端調(diào)用connect函數(shù)卫玖，請求一個連接。
③accept函數(shù)打開一個新的已連接描述符（connect descriptor）connfd（假設(shè)=4）踊淳，在clientfd和connfd之間建立連接假瞬，并隨后返回connfd給應(yīng)用程序。
客戶端也從connect返回迂尝，然后笨触，客戶端和服務(wù)器都可以通過讀寫clientfd和connfd來傳送數(shù)據(jù)。
說明：監(jiān)聽描述符是存在于服務(wù)器的生命周期內(nèi)雹舀，只會創(chuàng)建一次。而connfd則是客戶端和服務(wù)器已經(jīng)建立起來的一個端點(diǎn)粗俱。服務(wù)器每次接受連接請求都會創(chuàng)建一次说榆，其只存在于服務(wù)器為一個客戶端服務(wù)的過程中。
ps：有利于并發(fā)編程寸认。
主機(jī)和服務(wù)的轉(zhuǎn)換
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getaddrinfo函數(shù)
用處：主機(jī)IP地址和服務(wù)（或端口）→ 套接字地址
#include<sys/types.h> #include<sys/socket.h> #include<netdb.h> int getaddrinfo(const char *host, const char *service, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **result); //成功返回0签财，錯誤返回非0的錯誤代碼，其可轉(zhuǎn)化為字符串偏塞。 void freeaddrinfo(struct addrinfo *result); const char *gai_strerror(int error); //將錯誤代碼翻譯成字符串唱蒸。//hints是一個addrinfo結(jié)構(gòu)，提供對于返回的套接字地址列表的更好的控制灸叼。只能設(shè)置下列字段：ai_family , si_socktype , ai_protocol , ai_flasg神汹。結(jié)構(gòu)中其他字段為0（NULL）.
struct addrinfo{ int ai_flags; int ai_family; int ai_socktype; int ai_protocol; char *ai_cannoname; size_t ai_addrlen; struct sockaddr *ai_addr; struct addrinfo *ai_next; } -
getnameinfo函數(shù)
用處：套接字地址結(jié)構(gòu) → 主機(jī)IP地址和服務(wù)名字符串
#include<sys/socket.h> #include<netdb.h> int getnameinfo(const struct sockaddr *sa, socklen_t salen, char *host, size_t hostlen, char *service, size_t servlen, int flags); //成功返回0庆捺，錯誤返回非零錯誤代碼。 //flags 位掩碼屁魏。getnameinfo函數(shù)將套接字地址結(jié)構(gòu)sa滔以，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的主機(jī)和服務(wù)名字符串，將他們復(fù)制到host和service緩沖區(qū)氓拼。
如果返回非零你画，可以用gai_strerror（int errorcode）；轉(zhuǎn)化為字符串桃漾。
以上兩個函數(shù)坏匪，如果主機(jī)名和服務(wù)名可以空白一個（NULL代替）。不能兩個都NULL撬统。
實(shí)驗(yàn)代碼在CSAPP p659适滓，或者我的linux 主機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)編程。
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小結(jié)：兩個關(guān)于套接字地址的結(jié)構(gòu)體：
sockaddr：包含套接字的IP地址宪摧、端口地址粒竖、協(xié)議類型。
addrinfo：對sockaddr結(jié)構(gòu)體的再包裝几于，附加了一些額外信息蕊苗。
用包裝過的函數(shù)創(chuàng)建連接
說明：將上述的客戶端和服務(wù)器中建立連接的函數(shù)，包裝起來成為一個簡潔實(shí)用的函數(shù)沿彭。
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open_clientfd函數(shù)
客戶端調(diào)用此函數(shù)朽砰，建立與服務(wù)器的連接，其返回一個打開的套接字描述符喉刘。
服務(wù)器運(yùn)行在hostname主機(jī)上的瞧柔，并監(jiān)聽了port端口。
#include<sys/socket.h>
#include<netdb.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdio.h>
int open_clientfd(char *hostname, char *port) //針對客戶端睦裳。
{
int clientfd;
struct addrinfo hints, *listp, *p;
/* get alist of server addresses */
memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /*open a connection*/
hints.ai_flags = AI_NUMERICSERV; /*using a numeric(數(shù)字) port argument*/
hints.ai_flags |= AI_ADDRCONFIG; /*recommended for connections*/
getaddrinfo(hostname, port, &hints, &listp);
/*walk(traverl) the list for one that we can successfully connect to */
for(p = listp; p ; p = p->ai_next ){
/*create a socket descriptor */
if((clientfd = socket(p->ai_family,p->ai_socktype,p->ai_protocol))<0)
continue; /*socket failed, try the next one */
/*connect to the server */
if(connect(clientfd,p->ai_addr,p->ai_addrlen)!=-1)
break; /*success*/
close(clientfd); /*connect failed, try another*/
}
/* clean up */
freeaddrinfo(listp);
if(!p) return -1; /* all connects failed */
else return clientfd;
}
注意：代碼具有協(xié)議無關(guān)性造锅。因?yàn)閟ocket和connect的參數(shù)都是getaddrinfo自動生成的。
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open_listenfd
服務(wù)器調(diào)用此函數(shù)廉邑，打開并返回一個監(jiān)聽描述符哥蔚，準(zhǔn)備好在端口port接收請求。
#include<sys/socket.h> #include<netdb.h> #include<sys/types.h> #include<stdio.h> int open_listenfd(char *port) { struct addrinfo hints, *listp, *p; int listenfd, optval=1; /* 得到一張服務(wù)地址表 */ memset(&hints,0 , sizeof(struct addrinfo)); hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /*類型為接收連接*/ hints.ai_flags = AI_PASSIVE | AI_ADDRCONFIG; /*針對任何ip地址*/ hints.ai_flags |= AI_NUMRICSERV; /*使用端口數(shù)字*/ getaddrinfo(NULL, port, &hints, &listp); /* 遍歷地址表蛛蒙，找到一個可以用來綁定的 */ for(p = listp ; p ; p = p.ai_next){ /* 增加一個套接字描述符 */ if((listenfd = socket(p->ai_family,p->ai_socktype,p->ai_protocol))<0) continue; /* 套接字不可用糙箍，試下一個 */ /* 為bind中，消除“地址早已被使用”的錯誤可能 */ setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const void*)&optval, sizeof(int)); /* 綁定描述符和套接字地址 */ if(bind(listenfd, p->ai_addr, p->ai_addrlen) == 0) break; /*成功*/ close（listenfd）; /*綁定失敗牵祟，關(guān)閉描述符深夯，試下一個。*/ } /* 釋放 */ freeaddrinfo(listp); if(!p) return -1; /*沒有地址可用*/ /* 使一個監(jiān)聽套接字诺苹，準(zhǔn)備好去接收一個連接請求 */ if(listen(listenfd, LISTENQ)<0){ close(listenfd); return -1; } return listenfd; }
