Linux应用软件编程--网络通信（传输层：udp协议，tcp协议，应用层：http协议）

网络通信：不同主机，进程间通信，分为广域网和局域网

OSI  七层模型：是一种理论模型

应用层：通信传输的数据内容   http、FTP、TFTP、MQTT

表述层：数据加密，解密操作，压缩，解压缩

会话层：建立数据传输通道

传输层：数据传输方式   UDP  TCP

网络层：实现数据路由     路由器

数据链路层：封装成帧，点对点通信（局域网内通信），差错检测     交换机

物理层：定义物理设备标准，比如网线，光纤等传输介质 （比特流  0   1）

TCP/IP   4层模型：工业生产所用的模型

应用层：HTTP， HTTPS(超文本传输协议) （基于TCP）

              FTP : 文件传输协议（基于TCP）

              TFTP：简单文件传输协议（基于UDP）

              MQTT: 消息遥测传输协议（物联网）

              DNS ：域名解析服务 

传输层：UDP ： 用户数据报协议    面向数据包

               TCP：传输控制协议       面向数据流

网络层：IPv4、IPv6

网络接口层：ARP：地址解析协议

TCP/IP      5层模型
应用程：
传输层：
网络层：
数据链路层：
物理层：

先了解一些概念：

标记主机：

MAC：硬件地址 ： 局域网通信

IP：软件地址

端口号：同一主机，区分不同的网络进程，2字节的无符号整形数据，0-65535

ARP：地址解析协议，用于IP地址和MAC地址的转换

网络层：IP协议：IPv4：32bits；IPv6：128bits；点分十进制：如192.168.1.148

linux上查看ip地址：ifconfig；windows上查看ip地址：ipconfig

网络通信模型：

B/S ： Browser----》Server；1. 通用的客户端

C/S ： Client-----》Server；1. 专用的客户端；2.  客户端也可保存资源

UDP：用户数据报协议

特点：1. 无连接  ；2. 面向数据包；3. 不安全不可靠（尽最大努力交付），可能存在丢包和乱序的问题；4.可实现一对一， 一对多通信 

UDP的缺点：

1. 无连接，有可能接收方未准备就绪

2. 发送速度和数据接收速度不匹配，导致缓冲区满，造成数据丢失

解决办法：

1. 控制数据发送速度。

2. 模仿tcp增加应答机制

应用场景：1. 允许数据丢失（视频画面传输，游戏，直播）；2. 实时性高

下图是编程步骤：

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

功能：创建一个通讯的套接字

参数：

    domain: 网络协议族

    AF_INET:   IPv4

    AF_INET6： IPv6

    type: 表示传输层协议类型：SOCK_STREAM:   tcp，OCK_DGRAM:    udp

    protocol：0 ： 默认普通正常模式

返回值：成功：文件描述符；失败：-1

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

功能：向目标地址发送数据

参数：

    sockfd：通讯套接字

    buf：要发送的数据内容首地址

    len ： 内容字节数

    flags ： 0：默认方式发送

    dest_addr：数据接收方的地址

    addrlen：接收方的地址大小

返回值：成功：实际发送的字节数；失败：-1

struct sockaddr_in {
               sa_family_t    sin_family;          /* address family: AF_INET */
               in_port_t      sin_port;               /* port in network byte order */
               struct in_addr sin_addr;           /* internet address */
           };

           /* Internet address. */
           struct in_addr {
               uint32_t       s_addr;                /* address in network byte order */
           };

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

功能：绑定套接字和自己的地址信息

参数：

    sockfd：套接字

    addr ： 自己的地址信息

    addrlen：地址的大小

返回值：成功：0；失败：-1

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

功能：接收udp发送的数据

参数：

    sockfd：接收数据的套接字

    buf：保存接收数据的首地址

    len：期待收到的字节数

    flags：0：默认方式接收

    src_addr: 保存发送发地址信息的空间首地址

    addrlen：发送方地址信息大小的首地址

返回值：成功：返回实际收到的字节数；失败：-1

这里注意：网络字节序是大端；主机字节序是小端，学习一些转换用的函数

htons: 将主机字节序（小端）的short类型转换成网络字节序（大端）

htonl: 将主机字节序（小端）的long类型转换成网络字节序（大端）

ntohs：将网络字节序转换成主机字节序

ntohl：inet_ntoa（）：将二进程整形ip转换成字符串ip

           inet_addr() : 将字符串ip转换成网络字节序的二进制ip

TCP ：传输控制协议

特点：

1. 有连接

2. 面向字节流（流式套接字）

3. 安全可靠的传输协议：.三次握手、四次挥手机制；应答机制....等一系列机制

4. 只能实现一对一通信

应用：要求数据安全可靠的场景下：HTTP、FTP、MQTT

三次握手：tcp为了确保通信双方都已准备就绪，在建立连接时，要进行三次握手操作。由客户端主动发起。

四次挥手：tcp为了确保断开连接时，通信双发都收发数据结束，在断开连接时，进行四次挥手，由任意一方发起。

TCP软件编程步骤：

int listen(int sockfd, int backlog);

功能：负责监听需要建立连接的客户端

参数：

    sockfd：

    backlog：允许同时监听的客户端的个数

返回值：成功：0；失败：-1

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

功能：接收完成三次握手的客户端

参数：

    sockfd：监听套接字

    addr：建立连接的客户端地址

    addrlen：客户端地址大小的指针

返回值：成功：通讯套接字；失败：-1

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

功能：接收数据

返回值：成功：实际收到字节数；失败：-1；对方断开连接：不再阻塞， 返回0

tcp粘包问题：tcp接收端接收到的数据多包发生了粘连。

为什么:

1. tcp协议面向的是字节流的协议，接收方不知到数据的大小，也不确定一次读取多少数据，从而造成粘包；

2. 接收缓冲区数据没有及时读走，导致多包数据在接收缓冲区一起被读走

如何解决：

1. 控制数据的发送速率。

2. 发送指定大小的数据
    结构体

    发 ： sizeof（结构体）；

    收：  sizeof（结构体）；

    但是存在结构体在不同平台字节对齐不一致，指针大小不同的问题。

3. 封装数据帧，应用层根据封装的数据帧进行解析

    帧头 ：    1个字节  0xAA   0x5A   0xA5   0x7E

    数据长度：1个字节/2个字节    有效数据的字节数（不包含帧头和帧尾）

    校验：8bits和校验：数据累加求和取低8bits

               16bits和校验：数据累加求和取低16bits

               CRC校验：

    帧尾： 1个字节     0xBB  0x55  0xA5

TCP相关机制：

关于安全可靠的机制：

  1. 三次握手和四次挥手，在前面已经说过了，可以翻过去看看

  2. 应答机制 : tcp在发送数据时，会给数据的每个字节进行编号，每个数据包的第一个字节的编号        即为序列号，每个数据包的最后一个字节的编号加一即为确认序列号，客户端或服务端每发送        一次数据，就会发送一次序列号，然后对方会发送确认序列号应答。

3. 超时重传机制：如果在一定时间对方没有应答，就重新发送没有被应答的数据包

4. 流量控制机制：

    tcp的流量控制主要通过以下两个机制实现：

    滑动窗口：TCP使用滑动窗口来进行流量控制。接收方在TCP报文段的首部中通过"接收窗口"win字段告知自己的可接收数据量，即剩余的缓冲区大小。发送方根据接收方提供的窗口大小来决定发送数据的量，保证接收方能及时处理和接收数据。

发送方维护一个发送窗口，表示可以连续发送的数据量；

接收方维护一个接收窗口，表示还有多少空间可以接收数据；

发送方根据接收方提供的接收窗口大小来动态调整发送窗口的大小，以控制发送的数据量。

    基于确认的流量控制：能确保发送方不会超出接收方的处理能力。接收方通过发送确认（ACK）报文来告知发送方已成功接收数据的字节数。发送方根据接收到的确认信息来调整发送数据的速率，避免发送过多的数据。

发送方发送数据后，等待接收方发送确认报文。

接收方收到数据后，发送确认报文，确认已成功接收数据。

发送方根据接收到的确认信息来调整发送窗口和发送速率，以控制数据的发送。

关于提高效率的机制：

1. 延迟应答：tcp的每一次应答并不是发送一次应答一次，而是可以延迟一段时间后应答，在此时间中可以进行接收数据的操作。

2. 滑动窗口机制：可以看前文

3. 捎带应答：应用层传输数据时，可以捎带把应答报文传输给对方

标志位：

1. URG： 紧急指针标志， 为1时表示紧急指针有效， 该报文应该优先传送。

2. ACK： 确认应答标志

3. PSH:  表示发送数据，提示接收端从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间

4. RST： 重置连接标志

5. SYN： 表示请求建立一个连接

6. FIN： finish标志， 表示释放连接

在了解http协议之前，先了解这几个概念

1. 万维网服务器如何标记数据资源       url：统一资源定位符：标记万维网文档

在此端口号可以省略

2. 万维网客户端和万维网服务器之间如何通信。  http

3. 万维网客户端如何展示数据： html

应用层：http协议：超文本传输协议；默认端口号：80 （备用端口8080），面向文本，http基于传输层的tcp实现（超文本：集文字，图像，音频，链接等于一体的文本）

通信过程：

1.建立tcp连接

2. 客户端给服务器发送http请求报文

3. 服务端发送http响应报文给客户端

4. 断开tcp连接

先在此了解一下请求报文和响应报文：

 

HTTP报文格式：

请求报文：请求行、消息报头、请求正文

响应报文：状态行、消息报头、响应正文

请求方式：

GET     请求获取Request-URI所标识的资源

POST    在Request-URI所标识的资源后附加新的数据

HEAD    请求获取由Request-URI所标识的资源的响应消息报头

PUT     请求服务器存储一个资源，并用Request-URI作为其标识

DELETE  请求服务器删除Request-URI所标识的资源

TRACE   请求服务器回送收到的请求信息，主要用于测试或诊断

OPTIONS 请求查询服务器的性能，或者查询与资源相关的选项和需求

CONNECT 用于代理服务器

状态码：

1xx：指示信息--表示请求已接收，继续处理

2xx：成功--表示请求已被成功接收、理解、接受

3xx：重定向--要完成请求必须进行更进一步的操作

4xx：客户端错误--请求有语法错误或请求无法实现

5xx：服务器端错误--服务器未能实现合法的请求

200 OK      //客户端请求成功

400 Bad Request  //客户端请求有语法错误，不能被服务器所理解

401 Unauthorized //请求未经授权 

403 Forbidden  //服务器收到请求，但是拒绝提供服务

404 Not Found  //请求资源不存在，eg：输入了错误的URL

500 Internal Server Error //服务器发生不可预期的错误

503 Server Unavailable //服务器当前不能处理客户端的请求，一段时间后可能恢复正常