计算机网络编程

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忱俞祖
4 years ago
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1 计算机网络编程第 2 章 Socket 编程基础知识信息工程学院方徽星 fanghuixing@hotmail.com

2 本章主要内容 Socket 编程的基本概念 Winsock 网络编程接口

3 2.1 Socket 编程的基本概念套接字 (Socket): 网络层的 IP 地址 + 传输层的端口号客户机服务器应用进程通信子网应用进程客户机 Socket 请求服务器 Socket IP 地址端口号响应 IP 地址端口号客户机 / 服务器工作模式

4 2.1 Socket 编程的基本概念套接字 (Socket): 网络层的 IP 地址 + 传输层的端口号端口号 IP 地址 OSI 参考模型应用层 TCP/IP 参考模型表示层应用层会话层传输层传输层网络层互联网络层数据链路层主机 - 网络层物理层 TELNET,HTTP, FTP,SMTP TCP, UDP IP,ICMP 采取开放的策略, 允许使用广域网局域网与城域网的各种协议

5 2.1 Socket 编程的基本概念网络环境中的分布式进程通信通常采用 Socket 编程方式客户机服务器应用进程通信子网应用进程网络编程接口 (Socket) 网络编程接口 (Socket) 网络操作系统网络操作系统网络硬件系统通信网络硬件系统

6 2.1 Socket 编程的基本概念 Socket( 网络编程接口 ): 定义了很多用于网络通信的函数与数据结构程序员可以利用它们来开发 TCP/IP 网络中的应用程序支持不同的通信协议和套接字类型

7 2.1 Socket 编程的基本概念套接字类型 1. 流式套接字提供双向的有序的无重复的无记录边界的数据流服务, 主要用于 TCP 协议双向的 : 允许数据在两个方向上传输有序的 : 数据包按照发送顺序送达无重复的 : 一个特定数据包只能获取一次无记录边界的 : 数据以字节流的方式传送, 需要应用层自己判断包的边界

8 2.1 Socket 编程的基本概念流式套接字的工作过程客户机服务器应用进程通信子网应用进程建立连接 send recv 传输数据传输数据 recv send 释放连接

9 2.1 Socket 编程的基本概念套接字类型 2. 数据报套接字提供双向的无序的可重复的有记录边界的数据流服务, 主要用于 UDP 协议双向的 : 允许数据在两个方向上传输无序的 : 不保证各数据包的发送顺序可重复的 : 可能出现数据的重发有记录边界的 : 会控制数据的记录边界, 记录小于接收端的内部大小限制

10 2.1 Socket 编程的基本概念数据报套接字的工作过程客户机服务器应用进程通信子网应用进程 sendto recvfrom 传输数据传输数据 recvfrom sendto

11 2.1 Socket 编程的基本概念套接字类型 3. 原始套接字允许对较低层的协议, 如 IP ICMP 等的直接访问能够对网络数据包进行某种程度的控制操作通常用于开发简单的网络监视程序以及实现网络探测网络攻击等工具

12 2.1 Socket 编程的基本概念普通的流式套接字和数据报套接字只能控制数据包的数据部分传输层首部和网络层首部由协议栈根据创建套接字时指定的参数填充原始套接字可以控制传输层和网络层首部给程序员提供了很大的灵活性给网络安全带来了一定的安全隐患

13 Winsock 1.1 与 TCP/IP 协议族绑定在一起, 仅支持 TCP/IP 协议族 Winsock 是 Windows 下网络编程的规范 Winsock 向上, 面向用户应用程序提供一个标准的 API 接口 ; Winsock(2) 向下在 Winsock 组件和 Winsock 服务提供者 ( 比如 TCP/IP 协议栈 ) 之间提供标准的 SPI 接口

14 Winsock 2 引入服务提供者接口 (Service Provider Interface, SPI): 改变了原 Winsock 1.1 和底层协议栈之间的私有接口模式实现由单个 Winsock DLL 同时访问来自多个厂商的多个协议栈

15 Winsock 提供两种 I/O 方式的函数 : 同步 ( 也称阻塞 ) 方式 : 函数被调用后, 在完成任务之前不会返回 ; 在函数返回之前, 不能进行其他操作, 调用者进程处于挂起状态异步 ( 也称非阻塞 ) 方式 : 函数被调用后, 立即返回

16 Winsock 异步 I/O 模型 1. 选择模型 2. 异步选择模型 3. 事件选择模型 4. 重叠 I/O 模型 5. 完成端口模型

17 1. 选择模型 ( 也称 Select 模型或 I/O 复用模型 ): 可以使 Windows Sockets 应用程序同时对多个套接字进行管理调用 Select() 函数可以获取一组指定套接字的状态可以保证及时捕捉到最先满足条件的 I/O 事件实现对多个套接字上的不同网络事件进行及时处理

18 2. 异步选择模型 : 为了适应 Windows 的消息驱动环境而设置的以 Windows 系统中最常用的消息机制来反馈网络 I/O 事件达到收发数据的异步通知效果通过调用 WSAAsyncSelect 函数自动将套接字设置 ( 转变 ) 为非阻塞模式, 并向 Windows 注册一个或多个网络事件, 并提供一个通知时使用的窗口句柄 ( 可以理解为一个编号 ) 当注册的事件发生时, 对应的窗口将收到一个基于消息的通知

19 2. 异步选择模型 : 为了适应 Windows 的消息驱动环境而设置的需要消息队列, 通常消息队列依附于窗口实现有些应用程序可能并不需要窗口, 为了支持消息机制, 就必须创建一个窗口来接收消息, 对于特殊的应用场合并不适合在一个窗口中处理大量的消息可能成为性能瓶颈

20 3. 事件选择模型以 WSAEventSelect() 函数为核心与异步选择模型的最主要的区别是网络事件发生时系统通知应用程序的方式不同允许在多个套接字上接收以事件为基础的网络事件的通知

21 3. 事件选择模型应用程序在创建套接字后, 调用 WSAEventSelect() 函数将事件对象与网络事件集合相关联当网络事件发生时, 应用程序以事件的形式接收网络事件通知优点 : 不依赖于消息, 可以在没有窗口的环境下比较简单地实现对网络通信的异步操作缺点 : 等待的事件对象的总数是有限制的

22 4. 重叠 I/O 模型基本设计原理是允许应用程序使用重叠数据结构, 一次投递一个或多个异步 I/O 请求如果应用程序投递了一个 10KB 大小的缓冲区来接收数据, 且数据已经到达套接字, 则该数据将直接被拷贝到应用程序所投递的缓冲区与前几种相比, 重叠 I/O 的优势在于减少了一次从 I/O 缓冲区到应用程序缓冲区的拷贝

23 5. 完成端口模型提供了线程池管理, 预先创建和维护线程, 避免反复创建线程的开销可以根据 CPU 数量, 灵活决定线程个数, 减少线程调度的次数, 从而提供程序的并行处理能力在处理多个并发异步 I/O 请求时, 使用完成端口模型比在 I/O 请求时创建线程更快更有效

24 5. 完成端口模型完成端口可以看成系统维护的一个队列, 操作系统把重叠 I/O 操作完成的事件通知放到该队列中当某项 I/O 操作完成时, 系统会向完成端口发送一个 I/O 完成数据包应用程序收到数据包后, 完成端口队列中的一个线程被唤醒为客户服务服务完成后, 该线程会继续在完成端口上等待后续 I/O 请求事件的通知

25 5. 完成端口模型在 Windows 平台上比较成熟, 伸缩性好适用于管理上千个套接字完成端口实际上是 Windows I/O 的一种结构, 可以接收多种对象的句柄, 除了对套接字对象进行管理之外, 还可以应用于文件对象

26 初始化 Winsock:WSAStartup() 函数在 Winsock 的 DLL 内部维持着一个计数器, 首次调用 WSAStartup() 函数时装载 DLL, 以后调用时计数器 +1 int WSAStartup( ) WORD wversionrequested, LPWSADATA lpwsadata 指定 Socket 版本高位字节 : 副版本低位字节 : 主版本指向 WSADATA 数据结构用于存放 Socket 版本信息应用程序调用 WSAStartup() 函数操作系统搜索 Socket 库将应用程序与 Socket 库绑定应用程序调用 Socket 库其他函数

27 16 为二进制高位字节低位字节 high order byte low order byte Winsock 2.2: 副版本主版本

28 初始化 Winsock:WSAStartup() 函数 int main(int argc, char* argv[]) { } WSADATA wsadata; 主版本号副版本号 if(wsastartup(makeword(2, 2), &wsadata)!= 0) ErrorHandling("WSAStartup() error!"); return 0;

29 卸载 Winsock:WSACleanup() 函数功能与 WSAStartup() 相反, 每调用一次将计数器减 1 当计数器减到 0 时, 将 DLL 从内存中卸载调用 WSACleanup() 与调用 WSAStartup() 的次数应该相同 int WSACleanup() 应用程序调用 WSACleanup() 函数解除应用程序与 Socket 库的绑定版本头文件静态链接库文件动态链接库文件 Winsock 2 winsock2.h ws2_32.lib ws2_32.dll 释放 Socket 库占用的系统资源

30 创建套接字 :socket() 函数 Socket 类型 type SOCK_STREAM SOCK_DGRAM SOCK_RAW SOCKET socket(int af, int type, int protocol) 解释流式套接字数据报套接字原始套接字地址类型 address family af AF_INET AF_INET6 解释 IPv4 地址族 IPv6 地址族协议类型 protocol IPPROTO_TCP IPPROTO_UDP IPPROTO_ICMP 解释 TCP 协议 UDP 协议 ICMP

31 创建套接字 :socket() 函数 SOCKET socket(int af, int type, int protocol) 套接字描述符整数类型的数值每个进程空间中都有一个套接字描述符表套接字描述符映射套接字数据结构

32 关闭套接字 :closesocket() 函数 int closesocket( SOCKET s ) 指定要关闭的套接字描述符

33 绑定套接字 :bind() 函数应用程序创建套接字后, 套接字结构中会有一个默认 IP 地址和端口号服务器和客户端程序都需要绑定本地地址到套接字上 int bind( SOCKET s, const sockaddr * name, int namelen ) 指定要绑定的套接字描述符指定 sockaddr 结构的套接字地址指定套接字地址结构的长度 ( 字节数 )

34 监听端口连接请求 :listen() 函数专门为流式套接字设计, 用于有连接的 TCP 服务服务器端程序调用 listen() 函数后, 流式套接字处于监听状态分配监听队列 int listen( SOCKET s, int backlog ) 指定要监听的套接字描述符指定套接字要维护的客户连接队列大小

35 连接请求 :connect() 函数请求与服务器建立连接, 流式套接字,TCP 客户端调用 connect() 函数向服务器端 Socket 发出建立建立连接请求 int connect(socket s, const sockaddr * name, int namelen ) 客户端的套接字描述符服务器端的套接字地址结构套接字地址结构的长度 ( 字节数 )

36 响应连接请求 :accept() 函数响应连接建立请求, 流式套接字,TCP 服务器端调用 accept() 函数, 从处于监听状态的流式套接字的客户连接请求队列中取出排在最前面的一个客户请求, 并创建一个新的套接字来与客户端套接字建立连接 SOCKET accept(socket s, sockaddr * addr, int addrlen ) 要监听的套接字描述符新创建的套接字地址结构套接字地址结构的长度 ( 字节数 )

37 发送数据 :send() 和 sendto() 函数 send() 函数, 流式套接字,TCP sendto() 函数, 数据报套接字,UDP int send( SOCKET s, const char * buf, int len, int flags); int sendto( SOCKET s, const char * buf, int len, int flags, const sockaddr * to, int tolen); s: 发送端套接字描述符 buf: 发送端等待发送数据的缓冲区 len: 待发送数据的字节数 flags: 0 表示默认 ; MSG_DONTROUTE 表示不经过本地路由器 ; MSG_OOB 表示发送带外数据 to: 接收端套接字地址结构 tolen: 接收端套接字地址结构字节数

38 接收数据 :recv() 和 recvfrom() 函数 recv() 函数, 流式套接字,TCP recvfrom() 函数, 数据报套接字,UDP int recv( SOCKET s, const char * buf, int len, int flags); int recvfrom( SOCKET s, const char * buf, int len, int flags, sockaddr * from, int fromlen); s: 接收端套接字描述符 buf: 接收端等待接收数据的缓冲区 len: 缓冲区字节数大小 from: 发送端套接字地址结构 fromlen: 发送端套接字地址结构字节数 flags: MSG_PEEK 数据将被复制到缓冲区中, 但并不从输入队列中删除 ; MSG_WAITALL 等待所有数据连接关闭或则发送错误时返回 ; MSG_OOB 表示接收带外数据 ; 默认 0

39 读取 Socket 属性 :getsockopt() 函数 int getsockopt(socket s, ) int level, int optname, char * optval, int * optlen 套接字级别, 如 IP 协议是 IPPROTO_IP 属性名称, 如 SO_TYPE, 表示 Socket 类型 (SOCK_STREAM 等 ) 存放属性值的缓冲区指针缓冲区长度

40 设置 Socket 属性 :setsockopt() 函数 int getsockopt(socket s, int level, int optname, const char * optval, 套接字级别, 如 IP 协议是 IPPROTO_IP 属性名称, 如 SO_TYPE, 表示 Socket 类型 (SOCK_STREAM 等 ) 存放属性值的缓冲区指针 ) int * optlen 缓冲区长度 const char *ptr; 定义一个指向字符常量的指针,*ptr 是常量,ptr 不是常量

41 字节序转换函数字节序 : 存放多字节数据的字节 (byte) 顺序高位字节排放在内存的低地址端低位字节排放在内存的高地址端网络字节序大端小端低位字节排放在内存的低地址端高位字节排放在内存的高地址端

42 字节序转换函数 1. unsigned long htonl(unsigned long hostlong): 将无符号长整型数从主机字节序转换为网络字节序 2. unsigned long ntohl(unsigned long netlong): 将无符号长整型数从网络字节序转换为主机字节 3. unsigned short htons(unsigned short hostlong): 将无符号短整型数从主机字节序转换为网络字节序 4. unsigned short ntohs(unsigned short netlong): 将无符号短整型数从网络字节序转换为主机字节

43 辅助性函数 1. unsigned long inet_addr(const char *cp): 将点分十进制 IP 地址转换为无符号长整型 ( 网络字节序 ) 2. char * inet_ntoa(in_addr in): 将 in_addr 结构 IP 地址转换为点分十进制 IP 地址, 参数 in 为网络字节序 3. int gethostname(char *name, int namelen): 获取主机名, name 是存放主机名的缓冲区,namelen 是缓冲区大小 4. hostent * gethostbyname(const char *name): 根据主机名获取主机信息

44 GetLastError() 函数如果 Socket 函数调用后返回 SOCKET_ERROR, 则说明出现错误调用 GetLastError() 可以获得该错误对应的类型码 Winerror.h 返回值 WSAEACCES WSAEFAULT WSAEINVAL WSAEMFILE 描述执行权限不支持的套接字操作非法的指针地址无效参数打开的套接字太多

45 套接字地址结构通用的 Socket 地址结构 TCP/IP 协议族地址结构 struct sockaddr { ushort sa_family; char sa_data[14]; }; struct sockaddr_in { short sin_family; u_short sin_port; struct in_addr sin_addr; char sin_zero[8]; }; 地址类型端口号 ( 使用网络字节顺序 ) IP 地址,in_addr 结构让 sockaddr 与 sockaddr_in 保持大小相同而保留的空字节

46 hostent 结构 : 表示主机信息 typedef struct hostent { char *h_name; // 主机名 char **h_aliases; // 别名 short h_addrtype; // 主机地址类型 short h_length; // 地址长度 char **h_addr_list; // 地址列表 ( 地址是网络字节序的 ) } HOSTENT, *PHOSTENT, *LPHOSTENT;

47 protoent 结构 : 表示协议信息 typedef struct protoent { char *p_name; // 协议名 char **p_aliases; // 协议别名列表 short p_proto; // 协议使用的端口号 ( 主机字节序 ) } PROTOENT, *PPROTOENT, *LPPROTOENT;

48 常用协议类型定义 #define IPPROTO_IP 0 #define IPPROTO_ICMP 1 #define IPPROTO_IGMP 2 #define IPPROTO_TCP 6 #define IPPROTO_UDP 17 #define IPPROTO_RAW 255

49 本章小结 Socket 编程的基本概念 Winsock 网络编程接口

Chapter 5- 运输层 (5)-2017

Chapter 5- 运输层 (5)-2017 计算机网络运输层编程 (5) 陈旺虎 chenwh@nwnu.edu.cn Review TCP 协议格式 TCP 可靠传输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 ; 一. 认识 Socket 应用层程序流套接字接口