Linux:网络编程之TCP/IP模型，UDP协议

一、OSI模型七层结构

OSI（Open Systems Interconnection）模型，即开放系统互连参考模型，是一个概念性框架，用于促进全球通信。它定义了网络通信的七层结构，每一层都执行特定的功能，并且每一层都使用下一层提供的服务，同时向它的上一层提供服务。这七层从下到上依次是：

物理层（Physical Layer）
- 功能：定义物理设备之间如何传输原始比特流（0和1）。它定义了物理连接的特性，如电气规范、机械特性、功能和过程特性等。例如，以太网和光纤都是物理层的实现。
- 例子：双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波等物理传输介质；传输速率如100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s等。
数据链路层（Data Link Layer）
- 功能：数据链路层在物理层之上，负责将原始的比特流封装成帧（Frame），并提供错误检测和修正功能，确保数据的可靠传输。这一层还负责在物理网络中识别设备地址（如MAC地址）。
- 例子：以太网（Ethernet）、帧中继（Frame Relay）、PPP（点对点协议）等；交换机工作在数据链路层。
网络层（Network Layer）
- 功能：负责将数据包（Packet）从源端传输到目的端，可能跨越多个网络。
- 例子：IP（Internet Protocol）协议；路由选择、流量控制、错误处理以及网络互联等功能；NAT（网络地址转换）也是网络层的一个功能。
传输层（Transport Layer）
- 功能：为端到端的通信提供可靠的传输服务，确保数据包的顺序传输和完整性。
- 例子：TCP（传输控制协议，提供面向连接的、可靠的传输服务）和UDP（用户数据报协议，提供无连接的、不可靠的传输服务，低延迟）。
会话层（Session Layer）
- 功能：在两个通信的应用进程之间建立、管理和终止会话，管理通信双方之间的对话控制。
- 例子：会话管理，如建立检查点、同步等；虽然具体协议不如低层那么知名，但它负责在网络应用之间建立和维护连接。
表示层（Presentation Layer）
- 功能：对数据进行转换、加密和压缩，以便在应用层之间传输。
- 例子：数据压缩（如gzip）、加密/解密（如SSL/TLS中的加密）、数据格式转换（如ASCII与EBCDIC之间的转换）。
应用层（Application Layer）
- 功能：为用户的应用程序（如Web浏览器、电子邮件客户端等）提供网络服务。
- 例子：HTTP（用于Web通信）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、TFTP（简单文件传输协议）、DNS（域名系统）等。

NAT（网络地址转换） 是网络层的一个功能，用于解决IPv4地址不足的问题，通过在网络边界将私有IP地址转换为公网IP地址。

OSI模型为网络通信提供了一个标准化的框架，尽管在实际应用中，TCP/IP协议栈（包含四层：网络接口层、网络层、传输层和应用层）更为广泛地被采用。然而，OSI模型仍然是理解网络通信原理的重要基础。

二、TCP/IP模型

网际互联模型 ==》分为4层：
实用模型 ===》工业标准
也称tcp/ip协议栈

1. 应用层（Application Layer）

职责：提供网络服务给最终用户，支持各种应用程序，如电子邮件、网页浏览、文件传输等。
协议：HTTP（用于网页浏览）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、DNS（域名系统）等。
特点：应用层是TCP/IP协议栈中的最高层，为应用程序提供了接口，允许用户直接访问和使用网络服务。

2. 传输层（Transport Layer）

职责：提供端到端的数据传输服务，确保数据的可靠性、顺序性和流量控制。
协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。
特点：TCP协议提供可靠的、面向连接的数据传输服务，通过“三次握手”建立连接；UDP协议则提供无连接的数据传输服务，不保证数据的可靠性，但速度较快。

3. 网络层（Network Layer）

职责：处理来自传输层的分组，将分组封装成数据包（IP数据包），并为数据包进行路径选择，最终将数据包从源主机发送到目的主机。
协议：IP（网际协议）、ICMP（互联网控制消息协议）、IGMP（互联网组管理协议）、ARP（地址解析协议）等。
特点：网络层负责数据包的路由和转发，确保数据包能够跨越不同的网络区域，从源主机准确地到达目的主机。

4. 接口层（Interface Layer，也称为网络接口层或数据链路层）

职责：负责将数据包从物理介质发送到网络上的其他设备，处理物理地址（MAC地址）和数据帧的格式。
协议：以太网、WiFi、PPP（点对点协议）等。
特点：接口层是TCP/IP模型中最底层的一层，它直接与物理网络相连，负责数据的实际传输过程。它使用各种物理网络协议来确保数据帧在物理介质上的可靠传输。

TCP/IP协议与七层ISO模型的对应关系，大致如下图所示：

图：TCP/IP协议与七层ISO模型的对应关系

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是一种网络协议，用于在局域网（LAN）中自动配置设备的网络参数。DHCP 允许网络中的设备（如计算机、打印机、智能手机等）自动从DHCP服务器获取其IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器地址等网络配置信息，而无需手动配置这些信息。这样做的好处包括简化网络管理、减少配置错误、支持移动设备在网络中的无缝移动等。

三、TCP/IP协议族

一、应用层 (Application Layer)

HTTP: 超文本传输协议，用于Web浏览器和服务器之间的通信。
TFTP: 简单文件传输协议，一种简单的文件传输协议，主要用于在局域网中传输文件。
FTP: 文件传输协议，用于在网络上进行文件的双向传输。
SNMP: 简单网络管理协议，用于网络管理，如设备发现、性能监控等。
DNS: 域名系统，用于将域名（如www.taobao.com）解析为IP地址（如192.168.0.19，但通常不会是私有地址，而是公网地址）。

二、传输层 (Transport Layer)

TCP: 传输控制协议，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，一种无连接的、不可靠的传输层协议。
56k猫: 这不是一个传输层协议，而是指早期的调制解调器（Modem）的速率，用于通过电话线进行低速的数据传输。

三、网络层 (Network Layer)

IP: 互联网协议，负责数据包的路由和传输。
ICMP: 互联网控制消息协议，用于发送控制消息，如网络不通时发送的错误消息（ping命令就使用了ICMP协议）。
RIP: 路由信息协议，一种基于距离向量的内部网关协议（IGP），用于在小型网络中交换路由信息。
OSPF: 开放式最短路径优先，一种基于链路状态的内部网关协议，用于在大型和复杂网络中计算最佳路径。
IGMP: 互联网组管理协议，用于IP多播（Multicast）的管理。

四、物理层和数据链路层 (Physical Layer and Data Link Layer)

ARP: 地址解析协议，用于将网络层地址（如IP地址）解析为链路层地址（如MAC地址）。
RARP: 逆地址解析协议，用于无盘工作站等设备的网络启动，现已较少使用。
注意：您提到的“物理层：ARP RARP ... ip--->mac”实际上是不准确的。ARP和RARP工作在数据链路层，而不是物理层。物理层关注的是实际的信号传输，如电信号或光信号。

ip4地址的分类

IP地址的分类主要基于其网络ID的不同，可以分为A类、B类、C类、D类和E类五大类。在点分十进制的表示方法中，IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个8位二进制数（也就是4个字节），每个字节的十进制取值范围是0-255，各字节之间用点（.）分隔。以下是各类IP地址的详细分类及特点：

1. A类IP地址

网络地址范围：1.0.0.0 - 126.255.255.255（二进制表示为：00000001 00000000 00000000 00000000 - 01111110 11111111 11111111 11111111）
特点：
- 网络号占1个字节，即前8位，最高位必须是“0”。
- 第一个字节的范围是1-126（注意，0和127有特殊用途，不用于指派）。
- 可用的A类网络有126个（2^7-2，因为网络号不能是全0或全1）。
- 每个网络理论上可以支持的主机数为2^24-2（主机号不能是全0或全1）。
- 适用于具有大量主机的大型网络。

2. B类IP地址

网络地址范围：128.0.0.0 - 191.255.255.255（二进制表示为：10000000 00000000 00000000 00000000 - 10111111 11111111 11111111 11111111）
特点：
- 网络号占2个字节，即前16位，最高两位必须是“10”。
- 第一个字节的范围是128-191。
- 可用的B类网络有16382个（2^14-2）。
- 每个网络理论上可以支持的主机数为2^16-2。
- 适用于中等规模的网络。

3. C类IP地址

网络地址范围：192.0.0.0 - 223.255.255.255（二进制表示为：11000000 00000000 00000000 00000000 - 11011111 11111111 11111111 11111111）
特点：
- 网络号占3个字节，即前24位，最高三位必须是“110”。
- 第一个字节的范围是192-223。
- C类网络数量较多，可达209万余个。
- 每个网络理论上可以支持的主机数为254（2^8-2）。
- 适用于小型网络，如局域网和校园网。

4. D类IP地址

网络地址范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255
特点：
- 最高四位是“1110”，用于多播（Multicast）地址，不指向特定的网络。
- 这类地址被用在多点广播中，用来一次寻址一组计算机。

5. E类IP地址

网络地址范围：240.0.0.0 - 255.255.255.255
特点：
- 最高四位是“1111”，保留为将来使用。
- 主要用于Internet试验和开发。

*四、网络编程之UDP

UDP中文称为：用户数据报

1、UDP的特点

无连接：UDP在发送数据之前不需要建立连接，发送方和接收方之间不存在持久的连接状态。（理解：每次链接的路径不一样）
不可靠：UDP不保证数据包的顺序、完整性或正确性。数据包可能会丢失、重复或乱序到达。
面向数据报：UDP以数据报的形式发送数据，每个数据报都被视为一个独立的单元，且UDP本身不提供数据重组的功能。
开销小：由于UDP没有复杂的连接建立和错误控制机制，因此其头部开销较小，数据传输效率较高。

1、特性：无链接不可靠大数据

2、框架： C/S模式

server：socket() ===>bind()===>recvfrom()===>close()
client：socket() ===>bind()===>sendto() ===>close()

编写流程

2、socket()函数

socket() 函数是 Unix/Linux 系统中用于创建新的套接字（socket）的一个系统调用。套接字是网络通信中的一个端点，它允许两个或多个进程（可能位于不同的计算机上）通过网络进行通信。socket() 函数用于初始化一个套接字，并返回一个与该套接字关联的文件描述符（file descriptor），该描述符随后可用于进一步的套接字操作，如绑定地址、监听连接、接受连接、发送和接收数据等。

#include <sys/types.h>          // 对于某些系统可能需要  
#include <sys/socket.h>  int socket(int domain, int type, int protocol);

domain：指定协议族。常用的有 AF_INET（IPv4 地址）和 AF_INET6（IPv6 地址）。AF 代表“Address Family”。
type：指定套接字类型。对于 UDP，UDP的类型是 SOCK_DGRAM，表示数据报套接字。SOCK_STREAM 是用于 TCP 的套接字类型。
protocol：通常设置为 0，让系统自动选择该域（domain）和类型（type）下的默认协议。但在某些特殊情况下，可以指定特定的协议。

返回值：如果成功，socket() 返回一个非负的文件描述符，该文件描述符可以用于后续的套接字操作。如果失败，返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

3、bind()函数

bind() 函数是在网络编程中非常关键的一个函数，它用于将套接字（socket）与特定的IP地址和端口号绑定。

#include <sys/socket.h>  int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

sockfd 是由 socket() 函数返回的套接字文件描述符。
addr 是一个指向 sockaddr 结构的指针，该结构包含了IP地址和端口号等信息。根据IPv4或IPv6的不同，这个结构可能是 sockaddr_in 或 sockaddr_in6 类型。
addrlen 是 addr 参数所指向的结构的长度，这个长度通常是 sizeof(struct sockaddr_in) 或 sizeof(struct sockaddr_in6)。

如果 bind() 函数调用成功，它返回0；如果失败，则返回-1，并设置全局变量 errno 以指示错误的原因。

bind() 客户端是可选的，服务器端是必选的。

4、sendto()函数

sendto() 函数是在网络编程中用于发送数据到指定的网络地址（IP地址和端口号）的函数。

#include <sys/socket.h>  ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,  const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

功能：用于UDP协议中向对方发送数据。

sockfd 是要发送数据的套接字的文件描述符。
buf 指向包含要发送数据的缓冲区的指针。
len 是要发送的数据的字节数。
flags 可以通过它来指定额外的选项，但对于大多数应用来说，通常设置为0。
dest_addr 是一个指向 sockaddr 结构的指针，该结构包含了目标地址的信息（IP地址和端口号）。根据IPv4或IPv6的不同，这个结构可能是 sockaddr_in 或 sockaddr_in6 类型。
addrlen 是 dest_addr 参数所指向的结构的长度，通常是 sizeof(struct sockaddr_in) 或 sizeof(struct sockaddr_in6)。

如果 sendto() 函数调用成功，它返回发送的字节数。如果失败，则返回-1，并设置全局变量 errno 以指示错误的原因。

对于UDP套接字来说，sendto() 是发送数据包的常用方式，因为它允许程序直接指定数据的目的地。在TCP套接字中，虽然 sendto() 可以被调用，但它通常被 send() 或 write() 替代，因为TCP是一个面向连接的协议，其套接字已经与一个特定的远程地址和端口建立了连接。

需要注意的是，由于UDP是无连接的，因此每个 sendto() 调用都独立地发送一个数据包，并且接收方可能会以不同的顺序或根本不接收这些数据包（例如，由于网络拥塞或错误）。

5、recvfrom()函数

#include <sys/socket.h>  ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,  struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

功能：用于UDP协议中获取对方发送的数据。

sockfd 是要接收数据的套接字的文件描述符。
buf 指向一个缓冲区，该缓冲区用于存储接收到的数据。
len 是缓冲区 buf 的大小，即最多可以接收的字节数。
flags 可以通过它来指定额外的选项，但对于大多数应用来说，通常设置为0。
src_addr 是一个指向 sockaddr 结构的指针，该结构用于存储发送数据包的源地址信息（如果调用者关心这一点的话）。这个参数可以设置为NULL，如果不需要源地址信息。
addrlen 是一个指向socklen_t变量的指针，该变量在调用前应该包含 src_addr 缓冲区的大小（如果 src_addr 不是NULL的话）。在调用返回时，它将包含实际存储在 src_addr 中的地址的实际大小。

如果 recvfrom() 函数调用成功，它返回接收到的字节数。如果连接被对方正常关闭，则返回0。如果发生错误，则返回-1，并设置全局变量 errno 以指示错误的原因。

对于UDP套接字来说，recvfrom() 是接收数据包的常用方式，因为它不仅接收数据，还提供了数据包的源地址信息。这使得UDP程序能够区分来自不同源的数据包，并据此作出响应。

需要注意的是，由于UDP是无连接的，因此 recvfrom() 可能会以不同的顺序接收数据包，或者根本不会接收某些数据包（例如，由于网络拥塞或错误）。

练习：

服务器代码：接收客户端的数据，并打印，再把接收到的数据发送给客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
typedef struct sockaddr* (SA);
int main(int argc, const char *argv[])
{int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(-1==sockfd){perror("socket");return 1;}struct sockaddr_in server,client;bzero(&server,sizeof(server));bzero(&client,sizeof(client));server.sin_family=AF_INET;server.sin_port=htons(50000);server.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.0.117");int ret=bind(sockfd,(SA)&server,sizeof(server));if(-1==ret){perror("bind");exit(1);}while(1){char buf[1024]={0};socklen_t len=sizeof(client);recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(SA)&client,&len);printf("%s\n",buf);time_t tm;time(&tm);sprintf(buf,"%s %s",buf,ctime(&tm));sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(SA)&client,sizeof(client));}return 0;
}

客户端：向服务器发送数据，再接收服务器发送过来的数据并打印出来

#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
typedef struct sockaddr * (SA);
int main(int argc, char *argv[])
{int sockfd  =socket(AF_INET,SOCK_DGRAM ,0);if(-1 == sockfd){perror("socket");return 1;}//set ip port  man 7 ip struct sockaddr_in server;bzero(&server,sizeof(server));server.sin_family  = AF_INET;server.sin_port  = htons(50000);// >50000 host to net short server.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.203.128");while(1){char buf[1024]="hello,this udp test";sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(SA)&server,sizeof(server));bzero(buf,sizeof(buf));recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,NULL,NULL);printf("server:%s",buf);fflush(stdout);sleep(1);}return 0;
}

基于UDP的聊天室程序

将以上知识点融合，考虑如何实现一个基于UDP的聊天室程序。
   要求如下：
   1、要有注册过程，每个客户端必须在服务器端有注册信息。
   2、任意客户端发送的消息必须由服务器转发给所有在线客户端。
   3、任意客户端下线必须通知其他在线用户主机。

服务器：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
typedef struct sockaddr * (SA);
typedef enum {LOGIN,CHAT,LOGOUT}TYPE;
#define MAX 10
typedef struct 
{TYPE type;char buf[128];char client[50];
}MSG;
typedef struct 
{char name[50];struct sockaddr_in cli;int flag;
}LIST;
LIST list[MAX]={0};
int do_login(int sockfd, MSG* msg,struct sockaddr_in* cli)
{int i = 0 ;// 把刚刚登陆的客户端信息存放在服务器for(i = 0 ;i<MAX;i++){if(0 == list[i].flag){list[i].flag = 1;strcpy(list[i].name ,msg->client);memcpy(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in));break;}}strcpy(msg->buf,"上线了");//转发新客户端上线信息，给其他客户段for(i = 0;i<MAX;i++){if(1 ==list[i].flag && 0!=memcmp(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in))){sendto(sockfd,msg,sizeof(MSG),0,(SA)&list[i].cli,sizeof(list[i].cli));}}return 0;
}
int do_chat(int sockfd, MSG* msg,struct sockaddr_in*cli)
{int i =0;for(i = 0;i<MAX;i++){if(1 ==list[i].flag && 0!=memcmp(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in))){sendto(sockfd,msg,sizeof(MSG),0,(SA)&list[i].cli,sizeof(list[i].cli));}}return 0;}
int do_logout(int sockfd,MSG*msg,struct sockaddr_in* cli)
{strcpy(msg->buf,"要走了");int i = 0 ;for(i=0;i<MAX;i++){if(1 == list[i].flag && 0 == memcmp(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in))){list[i].flag = 0 ;}else if(1 == list[i].flag && 0 != memcmp(&list[i].cli,cli,sizeof(struct sockaddr_in))){sendto(sockfd,msg,sizeof(MSG),0,(SA)&list[i].cli,sizeof(list[i].cli));}}return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{int sockfd  =socket(AF_INET,SOCK_DGRAM ,0);if(-1 == sockfd){perror("socket");return 1;}//set ip port  man 7 ip struct sockaddr_in server,client;bzero(&server,sizeof(server));bzero(&client,sizeof(client));server.sin_family  = AF_INET;server.sin_port  = htons(50000);// >50000 host to net short server.sin_addr.s_addr =INADDR_ANY;int ret = bind(sockfd,(SA) &server,sizeof(server));if(-1 == ret){perror("bind");exit(1);}while(1){MSG msg;bzero(&msg,sizeof(msg));socklen_t len = sizeof(client);recvfrom(sockfd,&msg,sizeof(msg),0,(SA)&client,&len);switch(msg.type){case LOGIN:do_login(sockfd,&msg,&client);break;case LOGOUT:do_logout(sockfd,&msg,&client);break;case CHAT:do_chat(sockfd,&msg,&client);break;default:do_logout(sockfd,&msg,&client);}}return 0;
}

发送端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
typedef struct sockaddr * (SA);
typedef enum {LOGIN,CHAT,LOGOUT}TYPE;
typedef struct 
{TYPE type;char buf[128];char client[50];
}MSG;
void* th1(void* arg)
{int sockfd = *(int*)arg;MSG msg;while(1){bzero(&msg,sizeof(msg));recvfrom(sockfd,&msg,sizeof(msg),0,NULL,NULL);printf("%s:%s\n",msg.client,msg.buf);}}
typedef struct 
{char name[50];int sockfd;struct sockaddr_in ser;
}TH_ARG;
void * th2(void* arg)
{TH_ARG* tmp =  (TH_ARG* )arg;int sockfd=tmp->sockfd;MSG msg;int run_flag = 1;while(run_flag){bzero(&msg,sizeof(msg));printf("to all:");fgets(msg.buf,sizeof(msg.buf),stdin);msg.buf[strlen(msg.buf)-1]='\0';if(0 == strcmp("#quit",msg.buf)){msg.type =LOGOUT;run_flag = 0;}else{msg.type = CHAT;}strcpy(msg.client,tmp->name);sendto(sockfd,&msg,sizeof(msg),0,(SA)&tmp->ser,sizeof(tmp->ser));}exit(1);return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{int sockfd  =socket(AF_INET,SOCK_DGRAM ,0);if(-1 == sockfd){perror("socket");return 1;}//set ip port  man 7 ip struct sockaddr_in server;bzero(&server,sizeof(server));server.sin_family  = AF_INET;server.sin_port  = htons(50000);// >50000 host to net short server.sin_addr.s_addr = 0;MSG msg;bzero(&msg,sizeof(msg));printf("input name:");char name[50]={0};fgets(name,sizeof(name),stdin);name[strlen(name)-1]='\0';strcpy(msg.client,name);msg.type  = LOGIN;sendto(sockfd,&msg,sizeof(msg),0,(SA)&server,sizeof(server));TH_ARG arg;bzero(&arg,sizeof(arg));arg.sockfd = sockfd;strcpy(arg.name ,name);arg.ser = server;// memcpy pthread_t tid1,tid2;pthread_create(&tid1,NULL,th1,&sockfd);pthread_create(&tid2,NULL,th2,&arg);pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);return 0;
}