1网络和套接字
COMS W3157
Borowski 博士
2什么是协议？
协议是通信双方之间关于如何进行通信的约定。
- 类似于人类讲话时选择的语言。
- 一个人说，另一个人听。
不同的协议是针对不同的情况而构建的。
在互联网上，我们通常使用 TCP/IP 以及各种协议，例如 HTTP、FTP、SMTP、POP 等。
3服务与协议之间的关系
服务是某一层向其上层提供的一组原语（操作）。
相比之下，协议是管理层内对等实体交换的数据包或消息格式和含义的一组规则。
实体使用协议来实现其服务定义。
4OSI 参考模型
基于国际标准化组织（ISO）提出的一项建议，作为各种层中使用的协议国际标准化的第一步（Day 和 Zimmermann，1983）。
它在 1995 年进行了修订（Day，1995）。
5称为 OSI（开放系统互连）
参考模型，因为它处理连接开放系统。大学
6OSI 模型的原则
OSI 模型有七层。应用于这七层所遵循的原则可以简要概括如下：
- 当需要不同的抽象时，应该创建一个层。
- 每个层都应该执行一个明确定义的功能。
- 每个层的功能应该着眼于定义国际标准化协议来选择。
7OSI 层
层
交换单位名称
8TCP/IP - 互联网协议套件
传输控制协议 / 互联网协议 TCP/IP 有点过于复杂，无法归类到 OSI 模型的单个层中。
它是一系列在不同层上工作的工具，并被许多其他应用层协议使用。
例如，HTTP 和 DNS 依赖 TCP/IP 才能正常工作。
大多数当前的网络都使用 TCP/IP。
DNS，即域名系统，是一项基本的互联网服务，它将人类可读的域名（如 google.com）转换为计算机用于定位网站和其他在线资源的数字 IP 地址
9IPS 的组织
像 OSI 模型一样分层组织，但只有 4 层而不是 7 层。
10链路层
- 提供连接功能
11互联网层
- 多台计算机之间通信的方法
- 促进网络互连
12传输层
- 使用 TCP 和 UDP 等协议在主机之间传输数据的通用框架
13应用层
- 基于功能和通信服务的特定协议
14OSI vs TCP/IP
| OSI | |
| :--- | :--- |
| 7 | 应用 |
| 6 | 表示 |
| 5 | 会话 |
| 4 | 传输 |
| 3 | 网络 |
| 2 | 数据链路 |
| 1 | 物理 |
| | |
TCP/IP
15来自每个层的头部
16套接字
套接字是类似于电话的通信通道。它完全是关于两个端点之间的通信。
- 互联网套接字
- 不同的机器通过网络进行通信
- UNIX 域套接字
- 同一台机器中进程间通信
- 你还会遇到通过蓝牙、CAN、RF 或任何其他介质的套接字
17套接字
套接字由套接字描述符标识
- 在 UNIX 中用文件描述符实现
- 并非所有适用于文件描述符的函数都适用于套接字（例如 open()）
18套接字
int socket(int domain, int type, int protocol);
- domain 定义地址族
- AF_INET - IPv4（最常用）
- AF_INET6 - IPv6（未来已来！）
- AF_UNIX - UNIX 域（已涵盖）
- AF_UNSPEC - 未指定
- type 指定通信语义
- SOCK_STREAM 提供序列化、可靠、双向、连接导向的字节流。
- SOCK_DGRAM 支持数据报（无连接、不可靠的固定最大长度消息）。
- SOCK_SEQPACKET 提供序列化、可靠、双向、连接导向的数据传输路径，用于固定最大长度的数据报
- protocol: 特定协议（通常为 0）
- UNSPEC: 未指定
- (AF_INET 和 SOCK_STREAM 已经暗示 TCP，"0" 设置协议)
| 地址族 | | 我们将在本课程中使用 AF_INET。 | |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| 名称 | 目的 | | 手册页 |
| AF_UNIX, AF_LOCAL | 本地通信 | | unix(7) |
| AF_INET | IPv4 互联网协议 | | ip(7) |
| AF_INET6 | IPv6 互联网协议 | | ipv6(7) |
| AF_IPX | IPX - Novell 协议 | | |
| AF_NETLINK | 内核用户界面设备 | | netlink(7) |
| AF_X25 | ITU-T X.25 / ISO-8208 协议 | | x25(7) |
| AF_AX25 | 业余无线电 AX.25 协议 | | |
| AF_ATMPVC | 原始 ATM PVC 访问 | | |
| AF_APPLETALK | AppleTalk | | ddp(7) |
| AF_PACKET | 低级别数据包接口 | | packet(7) |
| AF_ALG | 内核加密 API 接口 | | |
19示例 1：数据报套接字 - 用户数据报协议 (UDP)
20UDP
- 单个套接字用于接收消息
- 不保证交付
- 不保证有序交付
- 数据报 - 独立数据包
- 必须寻址每个数据包
21邮政邮件
- 单个邮箱接收信件
- 不可靠
- 不保证有序交付
- 信件独立发送
- 必须寻址每封邮件
socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)
22示例 2：流套接字 - 传输控制协议 (TCP)
23TCP
- 可靠 - 保证交付
- 字节流 - 有序交付
- 连接导向 - 每个连接一个套接字
- 设置连接后进行数据传输
24电话呼叫
- 保证交付
- 有序交付
- 连接导向
- 设置连接后进行对话
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)
25套接字标识 “端点地址”
套接字标识：IP 地址 + 端口号
- 接收主机
- 唯一标识主机的目标地址
- IP 地址是一个 32 位数量（对于 IPv4）
- IPv6 的 128 位 IP 地址允许更多主机
- 接收套接字
- 主机可能运行许多不同的进程
- 唯一标识套接字的目标端口
- 端口号是一个 16 位数量
- 你可能在例如 192.168.1.1:8080、147.89.33.127:8080 或... http://localhost:8080...或 ping www.google.com 中遇到过它...
26使用端口标识服务
27客户端-服务器通信 数据报套接字 (UDP)：无连接
28客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：连接导向)
29使用套接字的示例
本幻灯片组的其余部分演示了回显客户端和回显服务器之间使用基于 TCP 的套接字进行通信。
服务器会回显从客户端收到的任何字符串。
30客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`socket()`)
哥伦比亚
31`socket()`
int socket(int domain, int type, int protocol);
socket() 创建一个通信端点并返回一个文件描述符，该文件描述符引用该端点。成功调用返回的文件描述符将是进程中当前未打开的最低编号文件描述符。
- domain: 协议族
AF_INET 用于 IPv4
AF_INET6 用于 IPv6
- type: 通信语义
SOCK_STREAM: 可靠字节流 (TCP)
SOCK_DGRAM: 面向消息服务 (UDP)
- protocol: 特定协议（通常为 0）
UNSPEC: 未指定
(AF_INET 和 SOCK_STREAM 已经暗示 TCP，"0" 设置协议)
- 示例
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
32C 语言中的 TCP 服务器代码
```
int serversock;
serversock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
```
33客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`bind()`)
哥伦比亚
大学
34`bind()`
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
当使用 socket(2) 创建套接字时，它存在于一个命名空间（地址族）中，但没有为其分配地址。 bind() 将 addr 指定的地址分配给由文件描述符 sockfd 引用的套接字。 addrlen 指定由 addr 指向的地址结构的大小（以字节为单位）。传统上，此操作称为“为套接字命名”。
35C 语言中的 TCP 服务器代码
```
int serversock;
serversock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
echoserver.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
bind(serversock, (struct sockaddr *) &echoserver,
sizeof(echoserver));
```
36绑定套接字
```
/ Internet address /
struct in_addr {
uint32_t s_addr; / address in network byte order /
};
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; / unsigned short, address family: AF_INET /
in_port_t sin_port; / unsigned short, port in network byte order /
struct in_addr sin_addr; / internet address /
char sin_zero[8]; / Not used /
};
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family; / unsigned short /
char sa_data[14]; / blob /
};
\begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|}
\hline \multirow{5}{*}{\begin{tabular}{l}
sockaddr_in \\
sockaddr
\end{tabular}} & sa_family & \multicolumn{4}{|c|}{sa_data} \\
\hline & Family & \multicolumn{4}{|c|}{Blob (14 bytes)} \\
\hline & 2 bytes & 2 bytes & 4 bytes & & 8 bytes \\
\hline & Family & Port & Internet address & & Unused \\
\hline & sin_family & sin_port & sin_addr & & sin_zero \\
\hline
\end{tabular}
\begin{tabular}{|l|}
\hline Format of struct sockaddr \\
depends on specified \\
domain. \\
To use a single bind interface \\
for all domains, we use the \\
most general format - struct \\
sockaddr. \\
A domain specific format can \\
be typecast to struct \\
sockaddr when binding.
\end{tabular}
Do "man sockaddr" to see all the specific types.
```
37字节序
为了连接到远程计算机并使用套接字，我们需要使用其地址。
LINUX 是小端序，但 TCP/IP 使用大端序字节排序。
对于小端序，最低有效字节（“小端”）存储在最低内存地址处。
对于大端序，最低有效字节（“小端”）存储在最高内存地址处。
大端序
小端序
38字节序
C 语言中用于确定系统字节序的简单代码。
x 是 int 类型，所以 x=1 会根据你的架构存储如下：
小端
| 字节 | 地址 |
| :---: | :---: |
| 00000000 | 1003 |
| 00000000 | 1002 |
| 00000000 | 1001 |
| 00000001 | 1000 |
大端
| 字节 | 地址 |
| :---: | :---: |
| 00000001 | 1003 |
| 00000000 | 1002 |
| 00000000 | 1001 |
| 00000000 | 1000 |
39字节序
TCP/IP 的转换函数：
```
#include
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
- h-host
- n - network
```
40客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`listen()`)
哥伦比亚
41`listen()`
int listen(int sockfd, int backlog);
许多客户端请求可能会到达服务器。
- 服务器无法同时处理所有请求。
- 服务器可以拒绝请求，或者让它们等待。
listen() 将由 sockfd 引用的套接字标记为被动套接字，即一个将用于使用 accept() 接受传入连接请求的套接字。
42参数：
- sockfd: 描述符
- backlog: 待处理连接队列的最大长度。如果队列已满，客户端可能会收到“连接拒绝”错误。
成功时返回 0，错误时返回 -1。
listen() 是非阻塞的；它立即返回。
43C 语言中的 TCP 服务器代码
```
#define MAXPENDING 5
int serversock;
serversock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
echoserver.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
bind(serversock, (struct sockaddr *) &echoserver,
sizeof(echoserver));
listen(serversock, MAXPENDING);
```
44客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`accept()`)
哥伦比亚
45`accept()`
```
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr,
socketlen_t *addrlen);
```
现在服务器所能做的就是等待。
它等待连接请求的到来。
它会阻塞直到请求到来，然后接受新请求。
46参数：
- sockfd: 描述符
- addr: 指向将提供客户端地址和端口的结构的指针
- addrlen: addrlen 参数是一个值-结果参数：调用者必须将其初始化为包含由 addr 指向的结构的大小（以字节为单位）；返回时它将包含对等地址的实际大小。
成功时返回接受的套接字的文件描述符，错误时返回 -1。
47C 语言中的 TCP 服务器代码
```
#define MAXPENDING 5
int clientsock, serversock;
serversock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echoclient, echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
echoserver.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
bind(serversock, (struct sockaddr *) &echoserver,
sizeof (echóserver));
listen(serversock, MAXPENDING);
clientsock = accept(serversock,
(struct sockaddr *) &echoclient,
sizeof(echoclient));
```
48客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`accept()`)
哥伦比亚
49`socket()`
int socket(int domain, int type, int protocol);
socket() 创建一个通信端点并返回一个文件描述符，该文件描述符引用该端点。成功调用返回的文件描述符将是进程中当前未打开的最低编号文件描述符。
- domain: 协议族
AF_INET 用于 IPv4
AF_INET6 用于 IPv6
- type: 通信语义
SOCK_STREAM: 可靠字节流 (TCP)
SOCK_DGRAM: 面向消息服务 (UDP)
- protocol: 特定协议（通常为 0）
UNSPEC: 未指定
(AF_INET 和 SOCK_STREAM 已经暗示 TCP，"0" 设置协议)
- 示例
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
50C 语言中的 TCP 客户端代码
```
int clientsock;
clientsock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, O);
```
51客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`accept()`)
哥伦比亚
52`connect()`
```
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);
```
connect() 系统调用将由文件描述符 sockfd 引用的套接字连接到由 addr 指定的地址。 addr 中的地址格式由套接字 sockfd 的地址空间决定。
53参数：
- sockfd: 文件描述符
- addr: 指向将提供客户端地址和端口的结构的指针
- addrlen: 结构的长度
成功时返回 0，错误时返回 -1。
注意客户端不需要调用 bind()。
- 操作系统会选择一个临时端口（短生命周期）。
- 在 linux 上，临时端口通常在 32768 到 60999 之间。
54C 语言中的 TCP 客户端代码
```
int clientsock;
clientsock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
echoserver.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(clientsock, (struct sockaddr *) &echoserver,
sizeof(echoserver));
```
55客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`recv()`)
哥伦比亚
56`send()`
```
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len,
int flags);
```
五个不同的系统调用用于发送数据：send、sendto、sendmsg、write 和 writev
在本课程中，我们将使用 send，它通常与连接套接字一起使用。
send() 和 write() 之间唯一的区别在于标志的存在。当零标志参数时，send() 通常等价于 write()。
57参数：
- sockfd: 描述符
- buf: 指向要发送数据的缓冲区的指针
- len: 要发送的字节数
- flags: 查阅手册页。在本课程中，我们将 flags 设置为 0。
成功时返回发送的字节数，错误时返回 -1。
58C 语言中的 TCP 客户端代码
```
#define BUFSIZE 32
int clientsock;
clientsock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
echoserver.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(clientsock, (struct sockaddr *)&echoserver,
sizeof(echoserver));
char buffer[BUFSIZE];
unsigned int len = strlen(argv[3]);
// Send '\0' too.
send(clientsock, argv[3], len + 1, 0);
```
59`recv()`
```
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len,
int flags);
```
五个不同的系统调用用于接收数据：recv、recvfrom、recvmsg、read 和 readv
在本课程中，我们将使用 recv，它通常与连接套接字一起使用。
recv() 和 read() 之间唯一的区别在于标志的存在。当零标志参数时，recv() 通常等价于 read()。
60参数：
- sockfd: 描述符
- buf: 指向接收数据的缓冲区的指针
- len: 要接收的字节数
- flags: 查阅手册页。在本课程中，我们将 flags 设置为 0。
成功时返回接收的字节数，错误时返回 -1。
哥伦比亚大学
```
#define MAXPENDING 5
#define BUFSIZE 32
int clientsock, serversock;
serversock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echōclient, echoserver;
memset(&echoservier, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR ANY);
echoserver.sin_port =-htons(atoi(argv[1]));
bind(serversock), (struct sockaddr *)&echoserver,
sizeof(echoserver));
listen (serversock, MAXPENDING) ;
clientsock = accept(serversock,
(struct sockaddr *) &echoclient,
sizeof(echoclient));
char buffer[BUFSIZE];
ssize_t num_recv = recv(clientsock, buffer, BUFSIZE, 0);
```
61客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`send()`)
哥伦比亚
62`send()`
```
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len,
int flags);
```
五个不同的系统调用用于发送数据：send、sendto、sendmsg、write 和 writev
在本课程中，我们将使用 send，它通常与连接套接字一起使用。
send() 和 write() 之间唯一的区别在于标志的存在。当零标志参数时，send() 通常等价于 write()。
63参数：
- sockfd: 描述符
- buf: 指向要发送数据的缓冲区的指针
- len: 要发送的字节数
- flags: 查阅手册页。在本课程中，我们将 flags 设置为 0。
成功时返回发送的字节数，错误时返回 -1。
64客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`recv()`)
哥伦比亚
```
#define MAXPENDING 5
#define BUFSIZE 32
int clientsock, serversock;
serversock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echōclient, echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR ANY);
echoserver.sin_port =-htons(atoi(argv[1]));
bind(serversock, (struct sockaddr *) &echoserver,
sizeof(echoserver));
listen(serversock, MAXPENDING);
clientsock = accept(serversock,
(struct sockaddr *) &echoclient,
sizeof(echoclient));
char buffer[BUFSIZE];
ssize_t num_recv = recv(clientsock, buffer, BUFSIZE, 0);
send(clientsock, buffer, num_recv, 0);
```
```
#define BUFSIZE 32
int clientsock;
clientsock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
echoserver.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(clientsock, (struct sockaddr *)&echoserver,
sizeof(echoserver));
char buffer[BUFSIZE];
unsigned int len = strlen(argv[3]);
// Send '\0' too.
send(sock, argv[3], len + 1, 0);
ssize_t num_recv = recv(sock, buffer, BUFSIZE, 0);
// len + 1 should equal num_recv
```
65客户端-服务器通信 流套接字 (TCP：`recv()`)
哥伦比亚
66`close()`
int close(int fd);
close() 关闭一个文件描述符，使其不再引用任何文件，并且可以重用。
成功时返回 0，错误时返回 -1。
67C 语言中的 TCP 客户端代码
```
#define BUFSIZE 32
int clientsock;
clientsock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
echoserver.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(clientsock, (struct sockaddr *)&echoserver,
sizeof(echoserver));
char buffer[BUFSIZE];
unsigned int len = strlen(argv[3]);
// Send '\0' too.
send(sock, argv[3], len + 1, 0);
ssize_t num_recv = recv(sock, buffer, BUFSIZE, 0);
// len + 1 should equal num_recv
close(clientsock) ;
```
```
#define MAXPENDING 5
#define BUFSIZE 32
int clientsock, serversock;
serversock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in echōclient, echoserver;
memset(&echoserver, 0, sizeof(echoserver));
echoserver.sin_family = AF_INET;
echoserver.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR ANY);
echoserver.sin_port =-htons(atoi(argv[1]));
bind(serversock, (struct sockaddr *) &echoserver,
sizeof(echoserver));
listen(serversock, MAXPENDING);
clientsock = accept(serversock,
(struct sockaddr *) &echoclient,
sizeof(echoclient));
char buffer[BUFSIZE];
ssize_t num_recv = recv(clientsock, buffer, BUFSIZE, 0);
send(clientsock, buffer, num_recv, 0);
close(clientsock) ;
close(serversock);
```