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计算机网络通信过程

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专栏：《网络编程》

计算机通讯过程

两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示：

计算机网络通信过程

上图对应两台计算机在同一网段中的情况，如果两台计算机在不同的网段中，那么数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器，如下图所示：

计算机网络通信过程

链路层有以太网、令牌环网等标准，链路层负责网卡设备的驱动、帧同步（即从网线上检测到什么信号算作新帧的开始）、冲突检测（如果检测到冲突就自动重发）、数据差错校验等工作。交换机是工作在链路层的网络设备，可以在不同的链路层网络之间转发数据帧（比如十兆以太网和百兆以太网之间、以太网和令牌环网之间），由于不同链路层的帧格式不同，交换机要将进来的数据包拆掉链路层首部重新封装之后再转发。
网络层的IP协议是构成Internet的基础。Internet上的主机通过IP地址来标识，Inter-net上有大量路由器负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包，数据包从Internet上的源主机到目的主机往往要经过十多个路由器。路由器是工作在第三层的网络设备，同时兼有交换机的功能，可以在不同的链路层接口之间转发数据包，因此路由器需要将进来的数据包拆掉网络层和链路层两层首部并重新封装。IP协议不保证传输的可靠性，数据包在传输过程中可能丢失，可靠性可以在上层协议或应用程序中提供支持。
网络层负责点到点（ptop，point-to-point）的传输（这里的“点”指主机或路由器），而传输层负责端到端（etoe，end-to-end）的传输（这里的“端”指源主机和目的主机）。传输层可选择TCP或UDP协议。
TCP是一种面向连接的、可靠的协议，有点像打电话，双方拿起电话互通身份之后就建立了连接，然后说话就行了，这边说的话那边保证听得到，并且是按说话的顺序听到的，说完话挂机断开连接。也就是说TCP传输的双方需要首先建立连接，之后由TCP协议保证数据收发的可靠性，丢失的数据包自动重发，上层应用程序收到的总是可靠的数据流，通讯之后关闭连接。
UDP是无连接的传输协议，不保证可靠性，有点像寄信，信写好放到邮筒里，既不能保证信件在邮递过程中不会丢失，也不能保证信件寄送顺序。使用UDP协议的应用程序需要自己完成丢包重发、消息排序等工作。
目的主机收到数据包后，如何经过各层协议栈最后到达应用程序呢？其过程如下图所示：
计算机网络通信过程

以太网驱动程序首先根据以太网首部中的“上层协议”字段确定该数据帧的有效载荷（payload，指除去协议首部之外实际传输的数据）是IP、ARP还是RARP协议的数据报，然后交给相应的协议处理。假如是IP数据报，IP协议再根据IP首部中的“上层协议”字段确定该数据报的有效载荷是TCP、UDP、ICMP还是IGMP，然后交给相应的协议处理。假如是TCP段或UDP段，TCP或UDP协议再根据TCP首部或UDP首部的“端口号”字段确定应该将应用层数据交给哪个用户进程。IP地址是标识网络中不同主机的地址，而端口号就是同一台主机上标识不同进程的地址，IP地址和端口号合起来标识网络中唯一的进程。
虽然IP、ARP和RARP数据报都需要以太网驱动程序来封装成帧，但是从功能上划分，ARP和RARP属于链路层，IP属于网络层。虽然ICMP、IGMP、TCP、UDP的数据都需要IP协议来封装成数据报，但是从功能上划分，ICMP、IGMP与IP同属于网络层，TCP和UDP属于传输层。

网络编程基础

什么是socket？

socket可以看成是用户进程与内核网络协议栈的编程接口。
socket不仅可以用于本机的进程间通信，还可以用于网络上不同主机的进程间通信。

计算机网络通信过程

IPv4套接口地址结构通常也称为“网际套接字地址结构”，它以“sockaddr_in”命名，定义在头文件<netinet/in.h>中

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

sin_len：整个sockaddr_in结构体的长度，在4.3BSD-Reno版本之前的第一个成员是sin_family.
sin_family：指定该地址家族，在这里必须设为AF_INET
sin_port：端口
sin_addr：IPv4的地址；
sin_zero：暂不使用，一般将其设置为0

通用地址结构用来指定与套接字关联的地址。

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

sin_len：整个sockaddr结构体的长度
sin_family：指定该地址家族
sa_data：由sin_family决定它的形式。

网络字节序

大端字节序（Big Endian)
最高有效位（MSB：Most Significant Bit）存储于最低内存地址处，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）存储于最高内存地址处。
小端字节序（Little Endian）
最高有效位（MSB：Most Significant Bit）存储于最高内存地址处，最低有效位（LSB：Lowest Significant Bit）存储于最低内存地址处。
主机字节序
不同的主机有不同的字节序，如x86为小端字节序，Motorola 6800为大端字节序，ARM字节序是可配置的。
网络字节序
网络字节序规定为大端字节序。

字节序转换函数

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

说明：在上述的函数中，h代表host；n代表network s代表short；l代表long。

地址转换函数

#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);

套接字类型

流式套接字(SOCK_STREAM)
提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据无差错，无重复的发送，且按发送顺序接收。
数据报式套接字(SOCK_DGRAM)
提供无连接服务。不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。
原始套接字（SOCK_RAW）

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