網絡編程之理論篇

網絡通訊做爲互聯網的技術支持，已被普遍應用在軟件開發中，不管是Web，服務端，客戶端仍是桌面應用，都是必須掌握的一門技術。

什麼是網絡編程？

在軟件開發層面實現遠程數據交換的編程技術。
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網絡編程的主要場景

• 基於Http/Https的web，移動端的開發；
• 基於TCP/UDP的IM，桌面應用的開發；
• 自定義協議的開發。

要熟悉網絡編程，首先須要學習網絡協議的相關知識。

網絡協議

什麼網絡協議呢？網絡協議是爲網絡中進行數據交換定義的規則，以實現按此規範進行傳輸數據，就可在整個互聯網中進行數據交換的目標。因此說網絡協議是網絡通訊的基礎。

網絡協議中其中最著名就是TCP/IP協議族。TCP/IP協議族一般被認爲是一個四層的協議系統。從上到下依次爲：

• 應用層：包括全部和應用程序協同工做，利用基礎網絡交換應用程序專用的數據協議，如Telnet, FTP, Http等；
• 運輸層：負責爲應用層提供端到端的通訊支持，包含TCP和UDP協議；
• 網絡層：負責數據包在網絡中的傳輸，包含IP， ICMP和IGMP協議；
• 鏈路層：用以處理與物理設備的交互細節，對應於操做系統中的設備驅動程序；

從TCP/IP協議族各層次的職責來看，網路數據的傳遞是從上到下依次傳遞。以Http協議爲爲例，具體的數據傳輸過程如圖所示:

固然，這只是數據的流向，實際上網絡數據在傳輸過程當中須要封裝與分解，具體的過程如圖所示（圖片來源於百度圖片）：

簡單來講，數據從本機上傳到網絡以前，會在TCP/IP協議族的每一層添加協議首部，到達目標主機後，目標主機再進行分解，從而獲取須要的數據。

在衆多的網絡協議中，使用最普遍的應該就是TCP協議（傳輸控制協議）了，它是一種面向鏈接，可靠的，基於字節流的傳輸層協議。其運行過程分爲三個階段：創建鏈接、交換數據、斷開鏈接。

TCP鏈接的創建與終止

在使用TCP協議交換數據前，需先創建一條鏈接，在不須要發送數據的時候，須要斷開鏈接，以釋放資源。

創建鏈接

TCP協議創建鏈接時須要三次握手，其過程可以使用如下場景來描述：

面試官：說一下TCP創建鏈接時三次握手的過程。
小明： 三次握手？
面試官： 嗯。
小明：握手完成了。
面試官：what?
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沒錯，從小明開始問三次握手到說握手完成就是三次握手的過程，具體的過程以下：

1. 客戶端發向服務端發送一個SYN段，以告知客戶端要鏈接服務端的指定端口；
2. 服務端收到客戶端的報文後，返回一個對客戶端報文進行確認的ack段（SYN+1）和一個表示服務端報文的SYN段；
3. 客戶端收到服務端發送的報文後，對服務端發送一個ack（服務端的SYN+1），至此，客戶端和服務端就創建了一條鏈接。

爲何須要3次握手而不是2次呢？

由於客戶端收到服務端的應答後，知道鏈接已創建成功，可是服務端並不知道本身發送的確認報文客戶端是否收到，
因此須要客戶端對服務端的報文進行確認。
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服務端必定能收到客戶端發送的確認報文麼？

不必定，若是收不到，那麼鏈接就不會創建，因此，3次握手只是理論上確保創建鏈接的次數。那可否經過4次握手呢？
不行，再握下去就是雞生蛋，蛋生雞的問題了。
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斷開鏈接

TCP斷開鏈接時須要四次握手，爲何須要4次呢？這是因爲TCP半關閉的性質形成的。所謂半關閉，就是能夠發送數據，卻不能接收數據或只能接收數據，不能發送數據。

四次握手的過程：（因爲主動斷開鏈接可發送在客戶端，也可發送在服務端，因此下面以A，B來區分兩端）

1. A端向B端發送一個FIN, 告知A端即將斷開鏈接；
2. B端收到A端發送的FIN後發送一個ack對其進行確認;
3. 隨後B端向再A端發送一個FIN，以告知B端也即將斷開鏈接；
4. A端時候到B端的FIN報文後，對其發送一個ack以示確認。

B端在對A端進行確認的時候爲何不一樣時發一個FIN呢？ 能夠同時發。分開發是爲了考慮B端在對A端確認後，可能還會給A繼續發送數據的狀況。

TCP的狀態變遷過程

下面以一張圖來描述TCP的狀態變遷過程(圖片來自百度圖片)

圖片中的全部狀態對應於TCP的創建和鏈接過程，下面簡單介紹一下這幾種狀態：

LISTEN: 服務端狀態，表示服務端正在等待客戶端的鏈接請求，處於監聽狀態；

SYN收到：服務端狀態，服務端已收到客戶端的鏈接請求，並對客戶端的請求發送了ACK確認（第二次握手完成）；

SYN_SENT: 客戶端狀態，客戶端發送SYN或數據後的狀態（第一次握手完成）；

ESTABLISHED: 客戶端對服務端的SYN進行確認後處於ESTABLISHED，服務端收到客戶端發送的ACK後也會處於
             ESTABLISHED狀態（三次握手完成後的狀態）；

FIN_WAIT_1: 主動關閉的一端的狀態，發送FIN後的狀態（斷開鏈接時的第一次握手完成）；

FIN_WAIT_2: 主動關閉的一端的狀態，收到另外一端的ACK確認後的狀態（斷開鏈接時的第二次握手完成）；

CLOSING：主動關閉的一端的狀態，收到另外一端的FIN，並對其進行確認後的狀態（客戶端和服務端同時關閉的狀況）；

TIME_WAIT: 主動關閉的一端的狀態，，收到另外一端的FIN或（FIN和ACK）後，對其進行確認後的狀態
          （斷開鏈接時最後一次握手完成）；

CLOSE_WAIT: 被動關閉的一端的狀態，收到另外一端發送的FIN並對其進行確認後的狀態（斷開鏈接時第二次握手完成）；

LAST_ACK: 被動關閉的一端的狀態，發送FIN後的狀態（斷開鏈接時第三次握手完成）；

CLOSED：鏈接完全斷開；
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TCP/IP協議族誕生以後，各個平臺（Window, Unix）就按照此協議規範在系統層面爲開發網絡程序提供了統一的接口——Socket。經過這個面向傳輸層協議的系統接口，咱們可經過TCP/UDP協議快速實現網絡數據的交換，同時也可用來實現應用層協議，如HTTP， SSL等。

Socket（套接字）

Socket是操做系統爲上層應用實現網絡數據交換提供的接口，咱們可經過如下場景來理解：

當你給別人打電話的時候首先要確認打給誰，其次確認打哪一個號碼，經過這兩個條件就可準確的聯繫到對方。那麼在網絡中傳輸數據也是一樣的道理，在網絡中定位主機是經過IP來實現的，一個IP表明了一臺主機，可是每臺主機有不少個端口號，因此要準確地與某個應用進行數據交換，除了IP地址外，還須要一個端口號。有了這兩個條件，就可經過Socket實現數據交換。因而可知，Socket其實就至關於一部手機，兩部手機之間創建一條通路便可實現通話。

Socket編程的步驟

客戶端

1. 建立scoket;
2. 鏈接服務器；
3. 發送、接收數據；
4. 關閉socket鏈接

代碼實現（Linux C編程）：

#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h> 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd = 0, n = 0;
    char recvBuff[1024];
    struct sockaddr_in serv_addr; 

    if(argc != 2)
    {
        printf("\n Usage: %s <ip of server> \n",argv[0]);
        return 1;
    } 

    memset(recvBuff, '0',sizeof(recvBuff));
    // 建立socket
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
    {
        printf("\n Error : Could not create socket \n");
        return 1;
    } 

    // 設置IP和端口
    memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr)); 
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(5000); 

    if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &serv_addr.sin_addr)<=0)
    {
        printf("\n inet_pton error occured\n");
        return 1;
    } 
    // 鏈接到指定的IP和端口 -> 鏈接成功後即三次握手完成
    if( connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
    {
       printf("\n Error : Connect Failed \n");
       return 1;
    } 
    // 讀數據
    while ( (n = read(sockfd, recvBuff, sizeof(recvBuff)-1)) > 0)
    {
        recvBuff[n] = 0;
        if(fputs(recvBuff, stdout) == EOF)
        {
            printf("\n Error : Fputs error\n");
        }
    } 

    if(n < 0)
    {
        printf("\n Read error \n");
    } 
    close(scokfd);
    
    return 0;
}
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服務端

1. 建立socket;
2. 綁定IP和端口；
3. 監聽客戶端的鏈接；
4. 接收客戶端的鏈接；
5. 發送、接收數據
6. 關閉socket鏈接；

代碼實現：（Linux C編程）

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h> 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int listenfd = 0, connfd = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr; 

    char sendBuff[1025];
    time_t ticks; 
    
    // 建立socket
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_addr, '0', sizeof(serv_addr));
    memset(sendBuff, '0', sizeof(sendBuff)); 
    
    // 綁定IP地址和端口
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(5000); 
    bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)); 
    
    // 監聽客戶端口的鏈接請求 -> 對應於狀態圖中的LISTEN狀態
    listen(listenfd, 10); 
    while(1)
    {
        // 接收客戶端的請求 -> 與客戶端三次握手完成
        connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL); 
        ticks = time(NULL);
        snprintf(sendBuff, sizeof(sendBuff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
        
        // 向客戶端發送數據
        write(connfd, sendBuff, strlen(sendBuff)); 

        // 關閉socket
        close(connfd);
        sleep(1);
     }
}
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代碼出處 https://www.thegeekstuff.com/2011/12/c-socket-programming/

經過以上代碼，咱們對socket有了一個簡單的認識，同時也瞭解了數據交換的基本流程。後面會對基於TCP協議的HTTP協議進行一個詳細的介紹。

參考資料

TCP/IP協議族

傳輸控制協議

《TCP/IP詳解 卷一》