嵌入式课堂笔记10
一、网络基础
- 为什么要进行网络通讯？
(1) 进程间通讯专注于同一台计算机内部的数据传输需求
(2) 网络通讯则旨在实现不同计算设备之间的信息交互 - 实现网络通讯所需的支撑包括：
(1) 通讯设备
- PC自带的网卡接口
- 常用的路由设备包括路由器及各类交换机
- 主要依靠光纤连接线、电缆以及基站天线提供物理连接
(2) 通讯协议（明确的数据发送内容与方式）
现代操作系统的默认配置已经内置了完整的protocol体系
值得注意的是Linux系统尤其擅长处理复杂的networking任务
而硬件级开发则必须重新构建一套完整的networking架构
(3) 简单 networking只需掌握基本的调用方法并能够进行简单的调试操作
协议栈设计为什么要采用分层架构？
物理层：通信介质的信号被转换为二进制0101的数字信号。
数据链路层：局域网之间的计算机通信依赖于以太网帧中的MAC地址。
网络层面：IP地址与路由信息共同作用实现全球访问。
传输层面：TCP/UDP协议采用可靠传输机制但传输速度较慢；而UDP协议不具备可靠性但传输速度较快；此外，在传输过程中需要使用端口号以区分不同应用程序的需求。
会话层次：会话层负责管理发送的数据。
表示层次：表示层次负责文件格式的统一。
应用层次：应用程序进行功能操作
协议栈实现数据的压缩加密和解压解密
③IP地址
（1）ip地址：实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）100.4.5.6
（2）公网ip（广域网通信）：a类 1.0.0.1~126.255.255.254
b类 128.0.0.1~191.255.255.254
c类 192.0.0.1~223.255.255.254
d类 224.0.0.1—239.255.255.254组播,VRRP协议，keepalive高可用
e类 240.0.0.1—255.255.255.254 科研
（3）私网ip（局域网通信）：A 10.0.0.0~10.255.255.255
B 172.16.0.0~172.31.255.255
C 192.168.0.0~192.168.255.255
（4）如何解决IP地址荒？
1）ipv4升级到ipv6
2）网络地址转换NAT（Network Address Translation）：将内网ip转为公网ip
（5）子网掩码的作用
1）决定一个网段的大小（可用ip的数量）
2）同一个网段的ip地址，才能直接相互通信，不同网段的ip地址，需要路由器才能相互通信！
（6）DNS协议：域名解析
把域名解析成ip地址
（7）ARP协议
把ip地址解析成mac地址（物理地址，全球唯一）（局域网通信必须通过MAC地址）
④TCP协议：传输控制协议
（1）特点：面向连接、可靠的字节流传输
（2）TCP的报文段格式
1）端口号
端口号的作用：确定和机器上哪个应用程序通信
端口号的取值范围
2）序列号seq（随机生成）
3）TCP标识位
SYN：建立链接
ACK：回应标识
FIN： 断开链接
PSH： 数据包
URG： 紧急指针
RST ： 重置（重传）
4）滑动窗口机制
5）检验方式
奇偶校验Parity Check
bcc异或校验法(block check character)
crc循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check)
md5校验和数字签名
海明码校验
6）数据大小
a.局域网的链路层传输数据的最大长度是1518bit，包括帧的头尾部长度18bit（头14+尾4），IP头部长度为20bit，TCP头尾部长度为20bit，UDP头尾部长度为8bit
b.TCP在局域网中传输数据的最长长度=1518-18-20-20 = 1460bit
c.广域网传输不限定大小，因为超过限定大小，会进行拆包发送
（3）如何连接？
1）建立连接：三次握手
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手
2）断开连接：四次挥手
A.客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
B.服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
C.客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
D.服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
E.客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
F.服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
3）为什么是三次握手和四次挥手？
网络通信是全双工的
4）dos、ddos攻击
(4)如何保证可靠有序的传输？
1）三次握手建立连接
2）应答机制，也就是将数据发送给对方后，对方必须应答是否发送成功
3）使用“滑动窗口”机制，根据网络的好坏，控制发送的分组数据的大小
⑤udp协议：用户数据报协议
（1）无连接不可靠传输
（2）UPD的报文格式
局域网中采用UDP协议传输数据时
二、网络编程
1、TCP服务器实现过程
创建套接字：socket函数
给套接字绑定ip地址和端口号：bind函数
出现无法绑定？解决办法：setsockopt函数
将套接字文件描述符，从主动变为被动文件描述符（做监听准备）：listen函数
被动监听客户的连接并响应：accept函数
服务器调用read（recv）和write（send），收发数据，实现与客户的通信
调用close或者shutdown关闭TCP的连接
2、TCP客户端的实现过程
用socket创建套接字文件，指定使用TCP协议
调用connect主动向服务器发起三次握手，进行连接
调用read（recv）和write（send）收发数据
调用close或者shutdown关闭连接
server.c
client.c
