TCP/IP和网络编程

本章论述了TCP/IP和网络编程，分为两个部分。第一部分论述了TCP/IP协议及其应用，具体包括TCP/IP栈、IP地址、主机名、DNS、IP数据包和路由器;介绍了TCP/IP网络中的UDP和TCP协议、端口号和数据流;阐述了服务器-客户机计算模型和套接字编程接口;通过使用UDP和TCP套接字的示例演示了网络编程。第一个编程项目可实现一对通过互联网执行文件操作的TCP服务器-客户机，可让用户定义其他通信协议来可靠地传输文件内容。
本章的第二部分介绍了Web和CGI编程，解释了HTTP编程模型、Web页面和Web浏览器;展示了如何配置Linux HTTPD服务器来支持用户Web页面、PHP和CGI编程;阐释了客户机和服务器端动态Web页面;演示了如何使用PHP和CGI创建服务器端动态Web页面。第二个编程项目可让读者在Linux HTTPD服务器上通过CGI编程实现服务器端动态Web页面。

网络编程简介

TCP/IP协议、UDP和TCP协议、服务器-客户机计算、HTTP和Web页面、动态Web页面的PHP和CGI编程

TCP/IP协议

TCP/IP (Comer 1988, 2001; RFC1180 1991 )是互联网的基础。TCP代表传输控制协议。 IP代表互联网协议。目前有两个版本的IP,即IPv4和IPv6o IPv4使用32位地址，IPv6则 使用128位地址。本节围绕IPv4进行讨论，它仍然是目前使用最多的IP版本。TCP/IP的 组织结构分为几个层级，通常称为TCP/IP堆栈

IP主机和IP地址

主机是支持TCP/IP协议的计算机或设备。每个主机由一个32位的IP地址来标识。为了方便起见32位的IP地址号通常用点记法表示，例如:134.121.64.1，其中各个字节用点号分开。主机也可以用主机名来表示，如dnsleecwsuedu。实际上，应用程序通常使用主机名而不是IP地址。在这个意义上说，主机名就等同于IP地址，因为给定其中一个，我们可以通过DNS(域名系统)(RFC1341987RFC10351987)服务器找到另一个，它将IP地址转换为主机名，反之亦然。
IP地址分为两部分，即NetworkID字段和HostID字段。根据划分，IP地址分为A~F类。例如，一个B类IP地址被划分为一个16位NetworkID，其中前2位是10，然后是一个16位的HostID字段。发往IP地址的数据包首先被发送到具有相同networkID的路由器。路由器将通过HostID将数据包转发到网络中的特定主机。每个主机都有一个本地主机名 localhost默认IP地址为127001。本地主机的链路层是一个回送虚拟设备，它将每个数据包路由回同一个localhost。这个特性可以让我们在同一台计算机上运行TCP/IP应用程序而不需要实际连接到互联网。

IP协议

IP协议用于在IP主机之间发送/接收数据包。IP尽最大努力运行。IP主机只向接收主机发送数据包，但它不能保证数据包会被发送到它们的目的地，也不能保证按顺序发送。这意味着IP并非可靠的协议。必要时，必须在IP层的上面实现可靠性。

IP数据包格式

路由器

IP主机之间可能相距很远。通常不可能从一个主机直接向另一个主机发送数据包。路由器是接收和转发数据包的特殊IP主机。如果有的话，一个IP数据包可能会经过许多路由器，或者跳跃到达某个目的地。

UDP

UDP（用户数据报协议）在IP上运行，用于发送/接收数据报。与IP类似，UDP不能保证可靠性，但是快速高效。它可用于可靠性不重要的情况。用户可以使用ping命令探测目标主机。
ping是一个向目标主机发送带时间戳UDP包的应用程序。接收到一个pinging数据包后，目标主机将带有时间戳的UDP包回送给发送者，让发送者可以计算和显示往返时间。 如果目标主机不存在或宕机，当TTL减小为0时，路由器将会丢弃pinging UDP数据包。在这种情况下，用户会发现目标主机没有任何响应。用户可以尝试再次ping，或者断定目标主机宕机。在这种情况下，最好使用UDP，因为不要求可靠性。

TCP

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议，用于发送/接收数据流。TCP也可在IP上运行，但它保证了可靠的数据传输。通常，UDP类似于发送邮件的USPS，而TCP类似于电话连接。

端口编号

在各主机上，多个应用程序（进程）可同时使用TCP/UDP，每个应用程序由三个组成部分唯一标识
应用程序=(主机IP,协议，端口号)
其中，协议是TCP或UDP，端口号是分配给应用程序的唯一无符号短整数。要想使用UDP或TCP，应用程序(进程)必须先选择或获取一个端口号。前1024个端口号已被预留，其他端口号可供一般使用。应用程序可以选择一个可用端口号，也可以让操作系统内核分配端口号。

网络和主机字节序

计算机可以使用大端字节序，也可以使用小端字节序。在互联网上，数据始终按网络序排列，这是大端。在小端机器上，例如基于Intel x86的PC, htons()、htonl()、ntohs()、 ntohl()等库函数，可在主机序和网络序之间转换数据。

TCP/IP网络中的数据流

网络编程

所有Unix/Linux系统都为网络编程提供TCP/IP支持。用于网络编程的平台和服务器-客户机计算模型。

套接字编程

套接字地址

struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; // AF_INET for TCP/IP
// port number
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;// IP address );
// internet address struct in_addr {
// IP address in network byte order
s_addr;
uint32_t
)；

在套接字地址结构中，

• TCP/IP 网络的 sin_family 始终设置为 AF_INET。
• sin_port包含按网络字节顺序排列的端口号。
• sin addr是按网络字节顺序排列的主机IP地址。

套接字API

服务器必须创建一个套接字，并将其与包含服务器IP 地址和端口号的套接字地址绑定。它可以使用一个固定端口号，或者让操作系统内核选择一个端口号（如果 sin port为0）。为了与服务器通信，客户机必须创建一个套接字。对于UPD套接字，可以将套接字绑定到服务器地址。如果套接字没有绑定到任何特定的服务器，那么它必须在后续的 sendto（）/recvfrom（）调用中提供一个包含服务器IP 和端口号的套接字地址。

UDP套接字

UDP 套接字使用 sendto()/recvfrom()来发送/接收数据报。

ssize_t sendto(int soCkfd,const void *buf,size_t len,int flags,
const struct sockaddr *dest_addr,socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd,void *buf,size_t len,int flags,
struct sockaddr *src_addr,socklen_t *addrlen);

UDP套接字

在创建套接字并将其绑定到服务器地址之后，TCP服务器使用listen()和 accept()来接收来自客户机的连接
int listen(int sockfd, int backlog);
listen()将sockfd引用的套接字标记为将用于接收连人连接的套接字。backlog 参数定义了等待连接的最大队列长度。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen t *addrlen);
accept()系统调用与基于连接的套接字一起使用。它提取等待连接队列上的第一个连接请求用于监听套接字sockfd，创建一个新的连接套接字，并返回一个引用该套接字的新文件描述符，与客户机主机连接。在执行accept()系统调用时，TCP服务器阻塞，直到客户机通过 connect()建立连接。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
connect()系统调用将文件描述符sockfd引用的套接字连接到addr指定的地址，addrlen 参数指定 addr的大小。addr中的地址格式由套接字sockfd的地址空间决定。
如果套接字 sockfd是SOCK_DGRAM类型，即UDP套接字，addr是发送数据报的默认地址，也是接收数据报的唯一地址。这会限制UDP套接字与特定UDP主机的通信，但实际上很少使用。所以对于UDP套接字来说，连接是可选的或不必要的。如果套接字是 SOCK_STREAM类型，即TCP套接字，connect()调用尝试连接到绑定到addr指定地址的套接字。

send()/read()以及recv/write()

建立连接后，两个TCP主机都可以使用send()/write()发送数据，并使用recv()/read()接收数据。它们唯一的区别是send()和recv()中的flag参数不同，通常情况下可以将其设置为0。
asize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags), asize_t write(sockfd, void *buf, size_t, len)
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, bize_t len, int flags); asize_t read(sockfd, void *buf, size_t len);

通用套接字地址结构

sockaddr
struct sockaddr
{
uint8_t           sa_len;
sa_family_t       sa_family;
char              sa_data[14];
};

IPv6套接字地址结构

IPv6套接字地址结构在<netinet/in.h>头文件中定义

struct in6_addr
{
unit8_t s6_add[16];
 
};
#define SIN6_LEN
struct sockaddr_in6
{ 
uint8_t           sin6_len;
sa_family_t       sin6_family;
in_port_t         sin6_port;
uint32_t          sin6_flowinfo;
struct in6_addr   sin6_addr;
uint32_t          sin6_scope_id;
};

新的struct sockaddr_storage足以容纳系统所支持的任何套接字地址结构。sockaddr_storage结构在<netinet/in.h>头文件中定义

struct sockaddr_storage
{
uint8_t       ss_len;
sa_family_t   ss_family;
};

实践

代码

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <time.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    #define MAXLINE 256
    #define PORT 7777
    void sys_err(char *msg){
        perror(msg);
        exit(-1);
    }
    int main(int argc , char **argv){
    
    
        int sockFd,n;
        char recvLine[MAXLINE];
        struct sockaddr_in servAddr;
        
    
    if (argc != 2) {
            sys_err("usage: a.out <IPaddress>");
        }
    
        sockFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
    
        memset(&servAddr,0,sizeof(servAddr));
        
        servAddr.sin_family = AF_INET;
        servAddr.sin_port = htons(PORT);
        if (inet_pton(AF_INET,argv[1],&servAddr.sin_addr) <= 0) {
        
            sys_err("inet_pton error");
        }
        
        connect(sockFd,(struct sockaddr *)&servAddr,sizeof(servAddr));
    
    
        while((n=read(sockFd,recvLine,MAXLINE)) >0 ){
            recvLine[n] = '\0';
            if(fputs(recvLine,stdout) == EOF){
    
     sys_err("fputs error");
            }
        }
        if(n <0){
            sys_err("read error");
        }
        return 0;
    }

运行结果