Chapter 5- 运输层 (5)-2017

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熊屏矛毛
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1 计算机网络运输层编程 (5) 陈旺虎

2 Review TCP 协议格式 TCP 可靠传输

3 为什么需要三次握手? A 发送一次确认的原因应对出现已失效的连接请求报文段的情况, 即防止已失效的连接请求报文段突然又传到了 B 例 1:A 发出连接请求, 但该请求丢失,A 重传连接请求, 到达 B, 则正常 ;

4 一. 认识 Socket 应用层程序流套接字接口 TCP 数据报套接字接口 UDP IP 数据链路层与物理层原始套接字接口

5 Socket 类型流式套接字 (SOCK_STREAM) 面向连接可靠的数据传输服务内设置流量控制, 数据被看作是字节流, 无长度限制数据报套接字 (SOCK_DGRAM) 无连接服务数据包以独立数据报的形式被发送, 无差错保证, 数据可能丢失或重复, 可能失序原始套接字 (SOCK_RAW) 可以对较低层次协议, 如 IP ICMP 直接访问

6 两类系统中使用的 Socket 不同操作系统中的 Socket Windows Socket (Winsock) Linux Socket (BSD Socket)

7 Windows Socket 简称 Winsock Windows 环境下使的套络编程规范基于 4.3 BSD 的 BSD Socket API 制定 1991 年 Winsock 1.1,16 位 1997 年 Winsock 2.2 版,32 位, 由 WSOCK32.DLL 支持, 主要用在 Windows 98 及以后的版本中已经成为 Windows 环境下网络编程的事实标准

8 Socket 常用函数基本函数 ( 与 BSD Socket 兼容 ) 络信息检索函数

9 基本函数络连接函数 socket 创建套接字 bind 绑定本机端口 Connect 建立连接 listen 监听端口 accept 接受连接 recv, recvfrom 数据接收 send, sendto 数据发送 close, shutdown 关闭套接字

10 基本函数 IP 地址转换函数 inet_addr() n 点分十进制数表示的 IP 地址转换为网络字节序的 IP 地址 inet_ntoa() n 网络字节序的 IP 地址转换为点分十进制数表示的 IP 地址字节排序函数 htonl 4 字节主机字节序转换为网络字节序 Ntohl 4 字节网络字节序转换为主机字节序 htons 2 字节主机字节序转换为网络字节序 ntohs 2 字节网络字节序转换为主机字节序

11 网络信息检索函数 gethostname 获得主机名 getpeername 获得与套接口相连的远程协议地址 getsockname 获得套接口本地协议地址 gethostbyname 根据主机名取得主机信息 gethostbyaddr 根据主机地址取得主机信息 getprotobyname 根据协议名取得主机协议信息 getprotobynumber 根据协议号取得主机协议信息 getservbyname 根据服务名取得相关服务信息 getservbyport 根据端口号取得相关服务信息 getsockopt/setsockopt 获取 / 设置一个套接口选项 ioctlsocket 设置套接口的工作方式

12 Windows 中的 Socket 编程 Winsock 的启动 Winsock API 基本函数 TCP/IP 络程序框架 (C/S 模式 ) 阻塞与阻塞通信式实例程序说明

13 Winsock 需要包含头件 Winsock2.h 库 ws2_32.lib 包含办法可以语句来告诉编译时调该库 #pragma comment(lib, ws2_32.lib ); 集成开发环境 ( 如 Visual C ) 工程 > 设置 > 工程设置 > 链接 > 对象 / 库模块中加入 ws2_32.lib

14 Windows Socket 的启动检查协议栈安装情况 int WSAStartup( ); WORD wversionrequested, LPWSADATA lpwsadata wversionrequested, 双字节型数值, 版本号, 对 Winsock2.2 而言, 其值为 0x0202, 也可以用宏 MAKEWORD(2,2) 来获得 ; lpwsadata, 指向 WSADATA 结构的指针, 返回 Winsock 实现的详细信息

15 Winsock 启动示例 #include <Winsock2.h> WORD wversionrequested; WSADATA wsadata; wversionrequested=makeword(2,2); if(wsastartup(wversionrequested, &wsadata)!=0 ) //Winsock 初始化错误 return; if(wsadata.wversion!= wversionrequested) { //Winsock 版本不匹配 WSACleanup(); return; } // 说明 WinsockDLL 正确加载, 可以执行以下代码

16 创建套接口 socket() SOCKET socket(int af, int type, int protocol); af : 协议地址族, 对于 TCP 或 UDP, 用常量 AF_INET 表示使 IP 地址 type: 描述套接口的类型,SOCK_STREAM SOCK_DGRAM SOCK_RAW Protocol:af 和 type 确定后, 协议字段的值是限定的协议地址族套接口类型套接口类型使用的值协议字段互联网协议 (IP) AF_INET TCP SOCK_STREAM IPPROTO_TCP UDP SOCK_DGRAM IPPROTO_UDP Raw SOCK_RAW IPPROTO_RAW IPPROTO_ICMP

17 绑定本地地址 -bind() 绑定 socket 与该主机上提供服务的某端 int bind(socket s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen); S: 套接口描述字,socket() 返回的值口号 Name: 地址结构指针, 存储了套接口的地址信息 struct sockaddr_in { short sin_family; // 一般为 AF_INET, 表示 IP 地址族 u_short sin_port; // 网络字节序 16 位端口号 struct in_addr sin_addr;// 网络字节序 32 位 IP 地址 char sin_zero[8]; // 用 0 填充 } namelen 表示 name 的长度 port 为 0, 则由系统自动指派一个 1024~5000 之间惟一的端口号

18 bind() 实例 SOCKET s; sockaddr_in tcpaddr; int isockerr; int port=5000; // 端口号 s=socket(af_inet,sock_stream,ipproto_tcp); tcpaddr.sin_family=af_inet; tcpaddr.sin_port=htons(port); tcpaddr.sin_addr.s_addr=htonl(inaddr_any); if(bind(s, (LPSOCKADDR)&tcpaddr,sizeof(tcpaddr)) == SOCKET_ERROR){ isockerr=wsagetlasterror(); return; }

19 服务器端启动监听 -listen() 函数 int listen( SOCKET s, int backlog ); s: 已绑定地址, 还未建立连接的套接口描述字 backlog: 指定了正在等待连接的最大队列长度

20 客户端请求连接 -connect() 函数客户端调 connect() 函数来与服务器建连接 int connect( SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen ); S: 将要建立连接的套接口描述字 Name: 指向远端套接口地址结构 (sockaddr_in) 的指针, 表示 s 套接口欲与其建立一条连接 Namelen: 是服务器端的地址长度, 即 name 的长度

21 服务器端接受连接 -accept() 函数在服务器端调 accept() 函数时, 表可以接收来客户端发出的连接请求, 双进连接状态 SOCKET accept( SOCKET s, ); // 监听套接字 struct sockaddr FAR * addr, int FAR * addrlen saddr 是一个地址结构的指针, 用来存放发出连接请求的那个客户机的 IP 地址信息 addrlen 指出客户套接口地址结构的长度函数说明 : 该函数用于面向连接的服务器端

22 发送数据 -send() 函数在已经建连接的套接上发送数据 int send( SOCKET s, // 标识已建立连接的套接字 const char FAR * buf, int len, int flags); flags: 数据传输方式 0 表示按正常方式发送数据 ; 宏 MSG_DONTROUTE 说明目标主机就在本地网络中, 无需路由选择 ;MSG_OOB 指出数据是按带外数据发送的 ( 置 URG 字段 ) 函数说明 : 对于数据报类型套接口必须注意发送数据长度不大于通信子网的 IP 包最大长度

23 接收数据 -recv() 函数已建立连接的套接口上接收数据 flags int recv( SOCKET s, char FAR * buf, int len, int flags ); 0 表示接收的是正常数据, 无特殊行为 MSG_PEEK 表示没有从系统缓冲区中将数据删除 MSG_OOB 表示处理带外数据

24 无连接的套接口上接收数据 - recvfrom() int recvfrom( SOCKET s, char FAR * buf, int len, int flags, struct sockaddr FAR * from, int FAR * fromlen );

25 在无连接套接口上发送数据 -sendto() 对于无连接的套接口来说, 要从套接口上发送一个数据报, 就要使用 sendto() 函数 int sendto( SOCKET s, const char FAR * buf, int len, int flags, const struct sockaddr FAR * to, int tolen );

26 关闭读写通道 -shutdown() 函数好处是当双不再有数据要发送或接收时, 可以通知对, 以防数据丢失, 并能优雅地关闭连接 int shutdown( ); SOCKET s, int how

27 shutdown() 函数参数说明 S: 标识一个套接口的描述字 How: 标志, 用于描述禁止哪些操作关闭方式参数值说明 SD_RECEIVE 0 SD_SEND 1 SD_BOTH 2 表示不允许再调用接收函数, 它关闭读通道套接口接收缓冲区中的所有数据都被丢弃, 并且有新数据到达套接口时, 也被 TCP 协议层丢弃, 但它对发送缓冲区没有影响, 进程仍然可以在套接口上发送数据表示不允许再调用发送函数, 它写通道关闭在套接口发送缓冲区中的数据都被发送出去, 得到接收端确认之后, 就生成一个 FIN 包关闭连接但它对接收缓冲区没有影响, 进程仍然可以在套接口上接收数据关闭读写通道, 相当于执行了上面 SD_RECEIVE 和 SD_SEND 两个命令

28 关闭套接口 -closesocket() 函数关闭这个套接, 释放资源, 包括等候处理的数据 int closesocket( SOCKET s ); 参数 s 表示即将被关闭的套接口

29 IP 地址转换函数 char * inet_ntoa ( struct in_addr in ) in 为传入参数, 表示一个结构型的 IP 主机地址, 该函数将 IP 地址转换成点分十进制 IP 地址字符串 unsigned long inet_addr(const char FAR * cp) 该函数将一个点分十进制 IP 地址字符串转换成 32 位数字表示的 IP 地址

30 字节序转换函数 u_long htonl( u_long hostlong ) 4 字节主机字节序表示的整数转换为 4 字节相应的网络字节序表示的整数 u_short htons( u_short hostshort ) 2 字节主机字节序表示的整数转换为 2 字节相应的网络字节序表示的整数 u_long ntohl( u_long netlong ) 4 字节网络字节序表示的整数转换为 4 字节相应的主机字节序表示的整数 u_short ntohs( u_short netshort ) 2 字节网络字节序表示的整数转换为 2 字节相应的主机字节序表示的整数

31 终止使用 Winsock WSACleanup() 函数当应程序不再使 Winsock API 中的任何函数时, 释放为此应程序或 DLL 分配的任何资源 int WSACleanup(void); 函数说明 WSACleanup() 函数是任何一个 Winsock 应用程序在最后必须要调用的函数在一个多线程的环境下,WSACleanup() 函数中止了 Windows Sockets 在所有线程上的操作

32 TCP/IP 网络程序框架向连接的 C/S 程序作流程连接的 C/S 程序作流程

33 面向连接的 C/S 程序工作流程图 (TCP) WSAStartup() socket() bind() WSAStartup() listen() 等待客户连接请求的到来三次握手过程建立 TCP 连接 socket() connect() accept() recv() send() closesocket() 交换数据交换数据关闭 TCP 连接 send() recv() closesocket() WSACleanup() 服务器端 WSACleanup() 客户端

34 无连接的 C/S 程序工作流程图 (UDP) WSAStartup() WSAStartup() socket() socket() bind() recvfrom() sendto() 交换数据交换数据 bind() sendto() recvfrom() closesocket() closesocket() WSACleanup() 服务器 WSACleanup() 客户端

35 阻塞通信与非阻塞通信阻塞式套接字进行 I/O 操作时, 函数要等待到相关的操作完成以后才能返回对提高处理机的利用率不利阻塞方式编程简单, 一个套接口的默认操作模式为阻塞, 可以调用函数 ioctlsocket() 进行设置阻塞式套接字进行 I/O 操作时, 无论操作成功与否, 调用都会立即返回

36 并发服务器 WSAStartup() socket() bind() 主进程在 accept 之后派生新线程, 然后主进程继续 listen, 处理新的连接请求, 新线程自行和客户端通信 listen() 等待客户连接请求的到来 send() accept() recv() CreateThread() closesocket() closesocket() 派生线程 WSACleanup() 服务器端

37 基于 TCP 的 C/S- 服务器代码 // server.cpp : 定义控制台应用程序的入口点 #include "stdafx.h" #include <Winsock2.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define DEFAULT_PORT 5050 // 服务端默认端口 int _tmain(int argc, char* argv[]) { int WSADATA wsadata; SOCKETsListen,sAccept; int int char iport = DEFAULT_PORT; ilen; // 客户地址长度 isend;// 发送数据长度 buf[] = "I am a server";// 要发送给客户的信息 struct sockaddr_in ser,cli;// 服务器和客户的地址 if(wsastartup(makeword(2,2),&wsadata)!=0) { } printf("failed to load Winsock.\n"); return -1;

38 slisten = socket(af_inet,sock_stream,0);// 创建服务器端套接口 if(slisten == INVALID_SOCKET) { printf("socket() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } // 以下建立服务器端地址 ser.sin_family = AF_INET; // 使用 IP 地址族 // 使用 htons() 把双字节主机序端口号转换为网络字节序端口号 ser.sin_port = htons(iport); //htonl() 把一个四字节主机序 IP 地址转换为网络字节序主机地址 // 使用系统指定的 IP 地址 INADDR_ANY ser.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any); //bind() 函数进行套接定与地址的绑定 if(bind(slisten,(lpsockaddr)&ser,sizeof(ser)) == SOCKET_ERROR { printf("bind() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; }

39 // 进入监听状态 if(listen(slisten,5) == SOCKET_ERROR){ printf("lisiten() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } // 初始化客户地址长度参数 ilen = sizeof(cli); // 进入一个无限循环, 等待客户的连接请求 while(1){ saccept = accept(slisten,(struct sockaddr *)&cli,&ilen); if(saccept == INVALID_SOCKET) { printf("accept() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } // 输出客户 IP 地址和端口号 printf("accepted client IP:[%s],port:[%d]\n",inet_ntoa(cli.sin_addr),ntohs(cli.sin_port));

40 } // 给连接的客户发送信息 isend = send(saccept,buf,sizeof(buf),0); if(isend == SOCKET_ERROR) { printf("send() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); break; } else if(isend == 0) { break; } else { printf("send() byte: %d\n",isend); } closesocket(saccept); } closesocket(slisten); WSACleanup(); return 0;

41 基于 TCP 的 C/S- 客户端代码 // client.cpp : 定义控制台应用程序的入口点 #include "stdafx.h" #include <Winsock2.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define DATA_BUFFER 1024 // 默认缓冲区大小 int _tmain(int argc, char * argv[]) { WSADATA wsadata; SOCKET sclient; int iport = 5050; int ilen;// 从服务器端接收的数据长度 char buf[data_buffer];// 接收数据的缓冲区 struct sockaddr_in ser;// 服务器端地址 // 判断参数输入是否正确 :client [Server IP] if(argc<2) { // 提示在命令行中输入服务器 IP 地址 printf("usage: client [server IP address]\n"); return -1; }

42 memset(buf,0,sizeof(buf));// 接收缓冲区初始化 if(wsastartup(makeword(2,2),&wsadata)!=0) { printf("failed to load Winsock.\n"); return -1; } // 填写要连接的服务器地址信息 ser.sin_family = AF_INET; ser.sin_port = htons(iport); //inet_addr() 将命令行中输入的点分 IP 地址转换为二进制表示的网络字节序 IP 地址 ser.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); // 建立客户端流式套接口 sclient = socket(af_inet,sock_stream,0); if(sclient == INVALID_SOCKET) { printf("socket() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1;

43 // 请求与服务器端建立 TCP 连接 if(connect(sclient,(struct sockaddr *)&ser,sizeof(ser)) == INVALID_SOCKET) { printf("connect() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } else{ // 从服务器端接收数据 ilen = recv(sclient,buf,sizeof(buf),0); if(ilen == 0) return -1; else if(ilen == SOCKET_ERROR){ printf("recv() Failed: %d\n",wsagetlasterror()); return -1; } else printf("recv() data from server: %s\n",buf); }

44 } closesocket(sclient); WSACleanup(); return 0;

45 高级网络编程 API MFC 编程技术定义了用于网络编程的 Winsock 类, 类名为 CAsyncSocket; 还定义了一个派生于 CAsyncSocket 的 CSocket 类与前面的介绍相似, 使用 MFC 的 Winsock 类进行操作时需要使用 Winsock2.h Winsock32.dll 和 ws2_32.lib 三个文件

46 Thanks,Any Question? The End.

Chap04

Chap04 Socket 编程介绍 Socket Socket 网络编程按照操作系统 Windows 的 socket 编程 *nix 的 socket 编程按照编程语言使用C++ Java 的 socket 编程使用脚本语言的 socket 编程 Socket 的一些历史 Sockets 本来是 UNIX 操作系统下流行行的一种网络编程接口 (API), 在 4.2 BSD 中被首先引