【Linux】认识协议、Mac/IP地址和端口号、网络字节序、socket套接字

1、初识协议

• 协议就是一种约定。
• 如何让不同厂商生产的计算机之间能够互相通信？需要由权威组织或公司制定网络协议。
• 协议本质也是软件，在设计上为了更好的进行模块化，解耦合，因此被设计为层状结构。

协议本质也是软件，为了更好的模块换，降低耦合度，所以被设计为层状结构。在Linux网络协议栈中，各个层次协同工作，以实现数据的封装、传输、路由和接收。从底层到高层，这些层次包括：

1. 链路层（数据链路层）：负责物理网络上的数据传输，包括帧的封装、错误检测和纠正等。在Linux中，这一层通常与特定的网络接口卡（NIC）驱动程序相关联。
2. 网络层：提供IP地址管理和路由功能，确保数据包能够正确地从一个网络传输到另一个网络。Linux支持IPv4和IPv6两种IP协议版本。
3. 传输层：提供端到端的通信服务，确保数据的可靠传输或快速、不可靠的传输。TCP（传输控制协议）提供可靠的数据传输，而UDP（用户数据报协议）则提供无连接的数据传输服务。
4. 应用层：提供用户和网络服务之间的接口，包括HTTP（用于Web浏览）、SMTP（用于电子邮件发送）、FTP（用于文件传输）等多种应用层协议。

一般而言：

• 对于一台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容
• 对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层
• 对于一台交换机，它实现了从数据层到物理层
• 对于一台集线器，它只实现了物理层

2、Mac、IP地址

每台主机在局域网上，要有唯一的标识来保证主机的唯一性：mac 地址。

以太网中，任何时刻，只允许一台机器向网络中发送数据。如果有多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞，所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免，没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域，局域网通信的过程中，主机对收到的报文确认是否是发给自己的，是通过目标mac地址判定的。

其中每层都有协议，当我们进行传输流程的时候，要进行封装和解包：

在这里插入图片描述

Tcp/IP通讯过程：

在这里插入图片描述

IP 地址是在 IP 协议中, 用来标识网络中不同主机的地址，对于 IPv4 来说, IP 地址是一个 4 字节，32 位的整数，我们通常也使用 “点分十进制” 的字符串表示 IP 地址, 例如1.94.9.200，用点分割的每一个数字表示一个字节，范围是 0 - 255。

在这里插入图片描述

Mac地址 vs IP地址： 唐僧从东土大唐出发，要去西天拜佛求经，途中要经过女儿国和黑风岭，女儿国和黑风岭是相邻两地。

• 东土大唐 -> 西天：源IP地址 -> 目的IP地址
• 女儿国 -> 黑风岭：源Mac地址 -> 目的Mac地址

其中经过的各个国家就是路由器，相邻的国家在同一个局域网中，路由器路由的下一个目的地是根据目的IP地址路由的，局域网通信需要Mac地址指路，一般Mac地址只在局域网中有效，IP地址几乎不变。

IP在网络中标识主机的唯一性，数据传输到主机不是目的而是手段，最终到达主机内的目的进程才是目的。但是在主机中，同一时间进程可能有很多，那怎么找到目的进程呢？

3、端口号

端口号（port）是传输层协议的内容，是一个2字节16位的整数，端口号标识唯一进程，一个端口号只能被一个进程占用。

IP地址+端口号能够标识网络中的唯一进程。 网络通信，本质上也是进程间通信。

其中 0 - 1023 是知名端口号，HTTP, FTP, SSH等这些广为使用的应用层协议，它们的端口号都是固定的。1024 - 65535 是操作系统动态分配的端口号，比如客户端程序的端口号就是有操作系统动态分配的。

pid也可以标识唯一进程，为什么还要引入端口号呢？ 进程pid属于系统概念，如果继续沿用pid标识唯一进程，会增加耦合度。另外，一个进程可以绑定多个端口号，但一个端口号不能被多个进程绑定。

网络通信的本质，也是进程间通信，本质是两个互联网进程代表人来进行通信。IP + port 叫做套接字socket。

传输层的典型代表：

4、网络字节序

内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分，网络数据流同样有大端小端之分，如何定义网络数据流的地址？

• 网络数据流的地址被规定：先发出去的是低地址，后发出去的是高地址。
• TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序，即低地址高字节。

为使网络程序具有可移植性，使用样的C代码在大端和小端机器上编译后都能正常运行，可以调用下面库函数做网络字节序和主机字节序的转换。

#include <arpa/inet.h>

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

• h表示host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数。

5、socket

socket常见API：

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);

// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,socklen_t address_len);

// 开始监听 socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);

// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,socklen_t* address_len);

// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

socket：

1. socket()打开一个网络通讯端口，如果成功，就像open()一样返回一个文件描述符，出错返回-1
2. 应用程序可以像读写文件一样用 read/write 在网络上收发数据
3. 对于 IPv4, family 参数指定为 AF_INET
4. 对于 TCP 协议，type 参数指定为 SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议
5. protocol 参数指定为 0 即可

bind：

1. bind()成功返回 0，失败返回-1
2. bind()的作用是将参数 sockfd 和 myaddr 绑定在一起，使 sockfd 这个用于网络通讯的文件描述符监听 myaddr 所描述的地址和端口号
3. struct sockaddr *是一个通用指针类型，myaddr 参数实际上可以接受多种协议的 sockaddr 结构体，而它们的长度各不相同，所以需要第三个参数 addrlen指定结构体的长度，我们可以对 myaddr 参数这样初始化：

struct sockaddr_in local;
memset(&local, 0, sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(_port);
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

listen：

1. listen()声明 sockfd 处于监听状态，并且最多允许有 backlog 个客户端处于连接 等待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略
2. listen()成功返回 0,失败返回-1

accept：

1. 三次握手完成后，服务器调用 accept()接受连接
2. 如果服务器调用 accept()时还没有客户端的连接请求，就阻塞等待，直到有客户端 连接上来
3. addr 是一个传出参数，accept()返回时传出客户端的地址和端口号
4. 如果给 addr 参数传 NULL，表示不关心客户端的地址
5. addrlen 参数是一个传入传出参数(value-result argument)，传入的是调用者提供的，缓冲区 addr 的长度以避免缓冲区溢出问题，传出的是客户端地址结构体的实际长度

connect：

1. 客户端需要调用 connect()连接服务器
2. connect 和 bind 的参数形式一致，区别在于 bind 的参数是自己的地址，connect 的参数是对方的地址
3. connect()成功返回 0，出错返回-1

注意：

1. 由于客户端不需要固定的端口号，因此不必调用 bind()，客户端的端口号由内核自动分配
2. 客户端不是不允许调用 bind()，只是没有必要显示的调用 bind()固定一个端口号，否则如果在同一台机器上启动多个客户端，就会出现端口号被占用导致不能正确建立连接
3. 服务器也不是必须调用 bind()，但如果服务器不调用 bind()，内核会自动给服务器分配监听端口，每次启动服务器时端口号都不一样，客户端要连接服务器就会遇到麻烦

sockaddr结构：

sock API是一层抽象的网络编程接口，适用于各种底层网络协议，各种网络协议的地址格式并不相同。

在这里插入图片描述

socket API 可以都用struct sockaddr*类型表示，在使用的时候需要强制转换成sockaddr_in，增加了程序的通用性。

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