計算機網(wǎng)絡(luò)通信過程

計算機通訊過程

兩臺計算機通過TCP/IP協(xié)議通訊的過程如下所示：

上圖對應(yīng)兩臺計算機在同一網(wǎng)段中的情況，如果兩臺計算機在不同的網(wǎng)段中，那么數(shù)據(jù)從一臺計算機到另一臺計算機傳輸過程中要經(jīng)過一個或多個路由器，如下圖所示：

鏈路層有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)，鏈路層負(fù)責(zé)網(wǎng)卡設(shè)備的驅(qū)動、幀同步（即從網(wǎng)線上檢測到什么信號算作新幀的開始）、沖突檢測（如果檢測到?jīng)_突就自動重發(fā)）、數(shù)據(jù)差錯校驗等工作。交換機是工作在鏈路層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以在不同的鏈路層網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀（比如十兆以太網(wǎng)和百兆以太網(wǎng)之間、以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)之間），由于不同鏈路層的幀格式不同，交換機要將進來的數(shù)據(jù)包拆掉鏈路層首部重新封裝之后再轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議是構(gòu)成Internet的基礎(chǔ)。Internet上的主機通過IP地址來標(biāo)識，Inter-net上有大量路由器負(fù)責(zé)根據(jù)IP地址選擇合適的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包從Internet上的源主機到目的主機往往要經(jīng)過十多個路由器。路由器是工作在第三層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同時兼有交換機的功能，可以在不同的鏈路層接口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此路由器需要將進來的數(shù)據(jù)包拆掉網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層兩層首部并重新封裝。IP協(xié)議不保證傳輸?shù)目煽啃?，?shù)據(jù)包在傳輸過程中可能丟失，可靠性可以在上層協(xié)議或應(yīng)用程序中提供支持。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)點到點（ptop，point-to-point）的傳輸（這里的“點”指主機或路由器），而傳輸層負(fù)責(zé)端到端（etoe，end-to-end）的傳輸（這里的“端”指源主機和目的主機）。傳輸層可選擇TCP或UDP協(xié)議。

TCP是一種面向連接的、可靠的協(xié)議，有點像打電話，雙方拿起電話互通身份之后就建立了連接，然后說話就行了，這邊說的話那邊保證聽得到，并且是按說話的順序聽到的，說完話掛機斷開連接。也就是說TCP傳輸?shù)碾p方需要首先建立連接，之后由TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性，丟失的數(shù)據(jù)包自動重發(fā)，上層應(yīng)用程序收到的總是可靠的數(shù)據(jù)流，通訊之后關(guān)閉連接。

UDP是無連接的傳輸協(xié)議，不保證可靠性，有點像寄信，信寫好放到郵筒里，既不能保證信件在郵遞過程中不會丟失，也不能保證信件寄送順序。使用UDP協(xié)議的應(yīng)用程序需要自己完成丟包重發(fā)、消息排序等工作。

目的主機收到數(shù)據(jù)包后，如何經(jīng)過各層協(xié)議棧最后到達(dá)應(yīng)用程序呢？其過程如下圖所示：

以太網(wǎng)驅(qū)動程序首先根據(jù)以太網(wǎng)首部中的“上層協(xié)議”字段確定該數(shù)據(jù)幀的有效載荷（payload，指除去協(xié)議首部之外實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)）是IP、ARP還是RARP協(xié)議的數(shù)據(jù)報，然后交給相應(yīng)的協(xié)議處理。假如是IP數(shù)據(jù)報，IP協(xié)議再根據(jù)IP首部中的“上層協(xié)議”字段確定該數(shù)據(jù)報的有效載荷是TCP、UDP、ICMP還是IGMP，然后交給相應(yīng)的協(xié)議處理。假如是TCP段或UDP段，TCP或UDP協(xié)議再根據(jù)TCP首部或UDP首部的“端口號”字段確定應(yīng)該將應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給哪個用戶進程。IP地址是標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中不同主機的地址，而端口號就是同一臺主機上標(biāo)識不同進程的地址，IP地址和端口號合起來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中唯一的進程。

雖然IP、ARP和RARP數(shù)據(jù)報都需要以太網(wǎng)驅(qū)動程序來封裝成幀，但是從功能上劃分，ARP和RARP屬于鏈路層，IP屬于網(wǎng)絡(luò)層。雖然ICMP、IGMP、TCP、UDP的數(shù)據(jù)都需要IP協(xié)議來封裝成數(shù)據(jù)報，但是從功能上劃分，ICMP、IGMP與IP同屬于網(wǎng)絡(luò)層，TCP和UDP屬于傳輸層。

網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)

什么是socket？

socket可以看成是用戶進程與內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的編程接口。

socket不僅可以用于本機的進程間通信，還可以用于網(wǎng)絡(luò)上不同主機的進程間通信。

IPv4套接口地址結(jié)構(gòu)通常也稱為“網(wǎng)際套接字地址結(jié)構(gòu)”，它以“sockaddr_in”命名，定義在頭文件<netinet/in.h>中

struct?sockaddr_in?{uint8_t? sin_len;?//4sa_family_t? sin_family;?//4in_port_t? sin_port;?//2struct?in_addr? sin_addr;?//4char?sin_zero[8];?//8};?

sin_len：整個sockaddr_in結(jié)構(gòu)體的長度，在4.3BSD-Reno版本之前的第一個成員是sin_family.

sin_family：指定該地址家族，在這里必須設(shè)為AF_INET

sin_port：端口

sin_addr：IPv4的地址；

sin_zero：暫不使用，一般將其設(shè)置為0

通用地址結(jié)構(gòu)用來指定與套接字關(guān)聯(lián)的地址。

struct?sockaddr?{??uint8_t? sin_len;??sa_family_t? sin_family;??char?sa_data[14];?//14};?

sin_len：整個sockaddr結(jié)構(gòu)體的長度

sin_family：指定該地址家族

sa_data：由sin_family決定它的形式。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序

大端字節(jié)序（Big Endian)

最高有效位（MSB：Most Significant Bit）存儲于最低內(nèi)存地址處，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）存儲于最高內(nèi)存地址處。

小端字節(jié)序（Little Endian）

最高有效位（MSB：Most Significant Bit）存儲于最高內(nèi)存地址 處，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）存儲于最低內(nèi)存地址處。

主機字節(jié)序

不同的主機有不同的字節(jié)序，如x86為小端字節(jié)序，Motorola 6800為大端字節(jié)序，ARM字節(jié)序是可配置的。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序規(guī)定為大端字節(jié)序。

字節(jié)序轉(zhuǎn)換函數(shù)

uint32_t?htonl(uint32_t?hostlong);uint16_t?htons(uint16_t?hostshort);uint32_t?ntohl(uint32_t?netlong);uint16_t?ntohs(uint16_t?netshort);

說明：在上述的函數(shù)中，h代表host；n代表network s代表short；l代表long。

地址轉(zhuǎn)換函數(shù)

#include?<netinet/in.h>#include?<arpa/inet.h>int?inet_aton(const?char?*cp,?struct?in_addr *inp);in_addr_t?inet_addr(const?char?*cp);char?*inet_ntoa(struct?in_addr in);

套接字類型

流式套接字(SOCK_STREAM)
提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無差錯，無重復(fù)的發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。

數(shù)據(jù)報式套接字(SOCK_DGRAM)
提供無連接服務(wù)。不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，并且接收順序混亂。