Linux 网络编程基础

大家在面试的时候，经常会被问到TCP，UDP的一些东西，我们平时在工作中，直接用封装好的网络请求，很少关注这些，今天我就来总结下这些基本的知识，在早期的时候有一个OSI网络模型

其实后来的各种协议，并没有完全使用这七层结构，比如我们熟知的TCP/IP，是四层网络模型

我们常用的网络传输Socket，就是应用了这些协议进行通信，这个我们后面说。
TCP UDP属于传输层，他们的区别如下：
1、TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接

2、TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付
3、TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的
UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）
4、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
5、TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小，只有8个字节
6、TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道

下面来说下TCP的三次握手和四次挥手
TCP的报文格式：

（1）序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。
（2）确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。
（3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：
（A）URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
（B）ACK：确认序号有效。
（C）PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
（D）RST：重置连接。
（E）SYN：发起一个新连接。
（F）FIN：释放一个连接。
所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

（1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，整个流程如下图所示：

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。
（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。
上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，具体流程如下图：

关于三次握手和四次挥手经常会有面试官这样问：
（1）三次握手是什么或者流程？四次握手呢？答案前面分析就是。
（2）为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？
这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

接下来我们来谈一下主机字节序和网络字节序
什么是字节序？是指整数在内存中保存的顺序。
字节序有两种：
a.Little endinan 低位存储在内存的低地址，高位存储在内存的高地址（小端模式）；
b.Big endian 高位存储在内存的低地址，低位存储在内存的高地址（大端模式）；

主机字节序就是当前主机所采用的内存中的存储顺序，而网络字节序这是TCP/IP协议中定义好的一种数据表示格式，它是与你的机器的cpu，操作系统什么的无关的，这样可以保证数据在网络中传输时，不管怎么样都能正确的解释了，网络字节序选择了Big endian。这样就给编写网络程序的程序员带来一个问题，程序员必须把本地数据从主机字节序转换成网络字节序发送到主机，同时，主机也必须把收到的数据从网络字节序转换成本地字节序，这样才能保证双方正确的收发数据

转换函数如下：

我们来看一个例子：

运行结果：

这种转换只是用来转换ip地址的。

我们在用Socket编程的时候，会用到套接字，套接字里面存的就是ip地址，协议和端口，以达到区分的目的，套接字地址是一个数据结构，我们仅基于TCP传输协议作为例子。套接字地址这个数据结构里面包含了：地址类型、端口号、IP地址、填充字节这4种数据。而它的数据结构原型为：
struct sockaddr_in{
unsigned short sin_family;
unsigned short int sin_port;
struct in_addr sin_addr;
unsigned char sin_zero[8];
};
其中：
sin_family表示地址类型，对于基于TCP/IP传输协议的通信，该值只能是AF_INET；
sin_prot表示端口号，例如：21 或者 80 或者 27015，总之在0 ~ 65535之间；
sin_addr表示32位的IP地址，例如：192.168.1.5 或 202.96.134.133；
sin_zero表示填充字节，一般情况下该值为0；
Socket数据的赋值实例：
struct sockaddr_in Lewis;
Lewis.sin_family = AF_INET;
Lewis.sin_port = htons(80);
Lewis.sin_addr.s_addr = inet_addr(“202.96.134.133”);
memset(Lewis.sin_zero,0,sizeof(Lewis.sin_zero));
分析：我们设置了一个名叫Lewis的套接字地址，它基于TCP/IP协议，因此sin_family的值为AF_INET，这个是雷打不动的，只要使用TCP/IP协议簇，该值就是AF_INET，memset函数在这里起到给sin_zero数组清零的作用

sin_addr是一个数据结构，原型是：
struct in_addr{
unsigned long s_addr;
};

我们知道一般ip都是”192.168.0.1”这样的字符串，那想实现跟unsigned long的互相转换呢

运行结果：

最后说一下gethostbyname函数，我们可以通过这个函数根据域名获取到ip地址

下面我们来根据百度的域名来获取相应的ip

运行结果：

好了，Linux 网络编程基础就总结到这里，如有问题，欢迎指正，谢谢。