7.計算機網絡

一.計算機網絡

 1.什麼是計算機網絡：它是計算機技術和通訊技術相結合的產物。

 2.計算機網絡的功能：

  a.數據通訊

  b.資源共享

  c.提升系統的可靠性

  d.分佈式網絡處理和負載均衡

 3.計算機網絡的組成

  1.通訊子網絡：由網卡，線纜，集線器(存粹物理上的)，中繼器，交換機()，路由器(網絡之間的交流)

  2.資源子網絡：網絡中的計算機，打印機等一些能夠提供的設備

  3.計算機網絡軟件

    協議軟件：它規定了計算機之間通訊的準則，最多見的協議TCP/IP協議簇

    網絡通訊軟件：網絡中實現計算機於設備之間通訊的軟件

    網絡操做系統：能夠提供網絡服務的計算機操做系統，常見的網絡操做系統，windows server2008(使用簡單，有圖形界面，鼠標操做，不太穩定) UNIX Linux

   網絡管理軟件和網絡應用軟件：

    管理：防火牆，SELinux

    應用：瀏覽器，迅雷，ftp客戶端

     4.計算機網絡的分類

      1.網絡的做用範圍來分

       局域網

       城域網

       廣域網

      2.按網絡的傳播技術來劃分

       廣播式網絡

       點到點網絡

      3.傳輸介質劃分

       有線網，無線網，微波通訊，衛星通訊

     5.計算機網絡的拓撲結構

      1.星型拓撲結構

      2.樹形拓撲結構

      3.總線型拓撲結構

      4.環形拓撲結構

      5.網狀型拓撲結構

     6.計算機網絡的發展過程

      1.以計算機爲中心的聯機系統

      2.分組交換網絡的誕生

      3.網絡體系結構與協議標準化

       20世紀八十年代，ISO組織提出 開放式系統互連參考模式(OSI),這個模型照顧到了各方的利益，因此太過龐大，所以至今沒有推出成熟的產品， TCP/IP符合OSI標準的協議。

       異構：操做系統(windows) ->socket->TCP/IP ->TCP/IP -> socket ->Linux

       4.高速計算機網絡

     7. 網卡：網絡接口卡或網絡適配器，它負責講數據發送到網絡中去，也負責從網絡中獲取數據，每一張網卡上會有一個 獨一無二MAC地址。

     8.OSI/RM結構與TCP/IP模型

      OSI/RM結構七層：      物理層，數據鏈路層，網絡層， 傳輸層， 會話層， 表示層，應用層

      TCP/IP模型四層結構：物理層，                      網絡層， 傳輸層， 應用層(間隔順序表示二者相對應的部分)

      物理層：負責通訊網絡收發數據包

      網絡層：選擇,流量控制，與網絡擁塞問題，IP協議式該層的核心

      傳輸層：機器之間創建端到端的鏈接(用於數據間的傳輸)，該層的核心協議TCP/UDP

      應用層：主要爲用戶提供針對性的服務，該層表明性的協議有：HTTP(超文本傳輸),SMTP(郵件傳輸),FTP(文件傳輸)，TELNET(遠程登錄)

     9.IPv4地址

      在計算機網絡中的每一臺計算機都必須有一個惟一的標識符，它就是IP地址。目前由4個不超過255的整數組成，通常用點分十進制表示

      ip地址的分類：

       A類:

        第一二進制位必須是0()

        0.0.0.0

        127.255.255.255

        公網的地址

       B類:前兩位的二進制位必須是10

        128.0.0.0.0

        191.255.255.255

        大型的，大企業中的網絡

       C類:前三位的二進制位必須是110

        192.0.0.0

        223.255.255.255

        小公司的網絡

       D類:前四位的二進制必須是1110

        224.0.0.0

        239.255.255.255

        家庭，小公司的

       E類:前五位的二進制必須是1111

        240.0.0.0

        255.255.255.255

     10.公有IP和私有IP

      公有IP：在網絡服務提供商登記過的IP地址叫公有IP

      私有IP：由一些公司本身分配的，不能在網絡上公開直接訪問的IP地址

     11.子網掩碼：目前由4個不超過255的整數組成，通常用點分十進制表示(255.255.255.0)

      子網掩碼&ip地址 = 網絡地址

      若是兩我的ip地址的網絡地址相同，那麼說明它們在同一個子網內，就能夠直接通訊而不須要路由

     12.網關地址：負責子網出口的計算機，通常由路由器擔任(路由器就是一臺具備路由功能的計算機)

     13.端口號： 操做系統爲須要通訊的進程分配一個獨一無二的編號，端口號能夠肯定與哪一個進程進行通訊

      1-1024基本上已經被操做系統佔用了，通常編程要使用1024以上的。

      http:80

      ftp:21

      telnet:23

二.套接字(socket:插座)

 是一種能夠進行網絡通訊的內核對象，它有一個惟一的標識符，通常稱它爲socket描述符，跟文件描述符相似，也能夠用read/write/close操做

       #include <sys/types.h> /* See NOTES */

       #include <sys/socket.h>

       int socket(int domain, int type, int protocol);

       功能：建立socket對象

       domain:通訊地址類型

          AF_UNIX/AF_LOCAL：本地進程間通訊

          AF_INET：使用ipv4地址通訊

          AF_INET6：使用ipv6地址通訊

       type:

        SOCK_STREAM:數據流協議TCP,面向鏈接的通訊協議

         優勢：安全可靠，數據不丟失，可是速度慢

         通常經常使用於安全性較高的領域，可是速度不要求的場景下

        SOCK_DGRAM：數據報協議UDP，面向無鏈接的通訊協議

         優勢：速度快，數據可能丟失，安全性可靠性與TCP相比不高。

         通常用於安全性要求不高，可是對速度有要求的場景

        protocol:特殊協議通常不使用，通常寫0就好

        準備通訊地址

         基本的通訊地址

           struct sockaddr {

               sa_family_t sa_family;

               char sa_data[14];

           }

           本地通訊地址

           struct sockaddr_un

           {

             //通訊地址類型

              sa_family_t sun_family;

              //socket文件路徑

              char sun_path[108];

           }

           網絡通訊地址

           struct sockaddr_in

           {

             //通訊地址類型

             short int sin_family;

             //端口號

             in_port_t sin_port;

             //ip地址

             struct in_addr sin_addr;

           }

三.本地socket進程間通訊

 A(B的地址+消息內容) -> B

 B(A的地址+消息內容) -> A

 進程A：建立socket -> 準備地址 -> 綁定 -> 鏈接 -> 接收/發送 -> 關閉socket -> 刪除socket文件

 進程B：建立socket -> 準備地址 -> 鏈接 -> 綁定 -> 發送/接收 -> 關閉socket

 進程B能夠給進程A發送消息，進程B也能夠給進程A發消息

 一個socket文件只能綁定一個地址

       int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,

                socklen_t addrlen);

       功能：把socket對象與通訊地址(本身)創建聯繫

       int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,

                   socklen_t addrlen);

       功能：與通訊目標鏈接(與目標主機的地址)

四.網絡通訊(UDP)

          點對點通訊(C to C)

          網絡通訊地址

           struct sockaddr_un

           {

             //通訊地址類型

             short int sin_family;

             //端口號

             in_port_t sin_port;

             //ip地址

             struct in_addr sin_addr;

           }

    生成端口號：我的計算機多是大端，也多是小端，網絡通訊時，須要大端數據，必須把數據轉換成大端

       端口號就是一個16位的無符號整數

       uint16_t htons(uint16_t hostshort);

       #include <arpa/inet.h>

       uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

       //功能：把32位主機字節序轉換成32位網絡字節序

       uint16_t htons(uint16_t hostshort);

       //功能：把16位主機字節序轉換成16位網絡字節序

       uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

       //功能：把32位網絡字節序轉換成32位主機字節序

       uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

       //功能：把16位網絡字節序轉換成16位主機字節序

    生成IP地址：

       #include <sys/socket.h>

       #include <netinet/in.h>

       #include <arpa/inet.h>

     in_addr_t inet_addr(const char *cp);

     功能：把點分十進制的IP地址轉換位32位無符號整數

        char *inet_ntoa(struct in_addr in);

        功能：把32位的網絡字節序的ip地址轉換成點分十進制的字符串地址

       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,

                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

       功能：接收數據，並獲取發送端的地址

       ps:addrlen是參數不是返回值

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,

                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

        功能：發送數據到指定的目標

        進程A：建立socket對象 -> 準備地址 -> 綁定 -> 接收數據和來時的地址 -> 原路返回數據 ->關閉

        進程B：建立socket對象 -> 準備地址 -> 向目標發送數據 -> 接收數據 ->關閉socket

        當socket對象被所有關閉後會在內核中，停留一段時間(給一個從新鏈接的機會)，若是再使用一樣的ip地址和端口號就會失敗(延時關閉)

五.網絡通訊(TCP)

  一對多鏈接(c to s)

 面向鏈接的網絡通訊，在通訊過程當中時刻保持鏈接，這種通訊方式相似於 打電話，這種通訊方式能保證安全可靠數據不丟失，可是與udp相比，它的傳輸速度略低。

  進程A ：建立socket —> 準備地址 —> 綁定 —> 監聽(設置隊列長度) —> 等待鏈接 —> 進行通訊 —> 關閉

 進程B ：建立socket —> 準備地址 —> 鏈接 —> 通訊 —> 關閉

       int listen(int sockfd, int backlog);

       功能：設置最大的監聽數量

       int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

       功能：等待其餘主機與當前socket創建鏈接關係

       返回值：創建好的鏈接的描述符，此後通訊都用此描述符

       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

       功能：網絡通訊專用的數據接收

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

       功能：網絡通訊專用的數據發送

       當recv/send函數的返回值爲-1時，鏈接斷開，此時應該結束死循環

       練習：開啓一個服務端程序(建立socket，準備地址，綁定，等待鏈接，建立進程爲鏈接服務器，主進程繼續等待鏈接)

         客戶端程序(建立socket,準備地址，鏈接，與服務端通訊)

       爲何是三次握手：

       什麼是安全的鏈接(A要知道：A->B，&& B->A,B要知道：A->B, && B->A)

       而這樣的三次鏈接就保證了A和B都知道了上述信息

三次握手：

四次揮手：

1．爲何創建鏈接協議是三次握手，而關閉鏈接倒是四次握手呢？

這是由於服務端的LISTEN狀態下的SOCKET當收到SYN報文的建連請求後，它能夠把ACK和SYN（ACK起應答做用，而SYN起同步做用）放在一個報文裏來發送。但關閉鏈接時，當收到對方的FIN報文通知時，它僅僅表示對方沒有數據發送給你了；但未必你全部的數據都所有發送給對方了，因此你不能夠立刻關閉SOCKET,也即你可能還須要發送一些數據給對方以後，再發送FIN報文給對方來表示你贊成如今能夠關閉鏈接了，因此它這裏的ACK報文和FIN報文多數狀況下都是分開發送的。
 

2．爲何TIME_WAIT狀態還須要等2MSL後才能返回到CLOSED狀態？

這是由於雖然雙方都贊成關閉鏈接了，並且握手的4個報文也都協調和發送完畢，按理能夠直接回到CLOSED狀態（就比如從SYN_SEND狀態到ESTABLISH狀態那樣）；可是由於咱們必需要假想網絡是不可靠的，你沒法保證你最後發送的ACK報文會必定被對方收到，所以對方處於LAST_ACK狀態下的SOCKET可能會由於超時未收到ACK報文，而重發FIN報文，因此這個TIME_WAIT狀態的做用就是用來重發可能丟失的ACK報文。

TCP三次握手和四次揮手（詳解）