互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)第2章.ppt

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1、第二章、套接口編程基礎(chǔ),套接口基本概念 套接口地址結(jié)構(gòu) 字節(jié)序 網(wǎng)絡(luò)編程基本模型 一些常用函數(shù),概述,本章主要介紹網(wǎng)絡(luò)編程的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、字節(jié)序、網(wǎng)絡(luò)編程的基本模型 由于課時限制，Socket API的基本編程函數(shù)不集中講述，將在本章和下一章中結(jié)合基本概念和編程講述 下一章，將結(jié)合簡單的迭代服務(wù)器講述套接口的基本函數(shù),1. 套接字概念,Unix、TCP/IP協(xié)議的發(fā)展 Unix與BSD TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 以BSD為基礎(chǔ)的協(xié)議編程接口socket API成為網(wǎng)絡(luò)編程的標(biāo)準(zhǔn) 4.4BSD的協(xié)議棧中實(shí)現(xiàn)中了4種協(xié)議，不僅僅是TCP/IP TCP/IP XNS（已經(jīng)刪除） OSI/TLI Uni

2、x域,,BSD協(xié)議棧結(jié)構(gòu) Socket API是一個網(wǎng)絡(luò)編程接口，并非一個協(xié)議層 套接口除了操縱傳輸層外、還可以操縱網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層 Socket API可以操縱多種協(xié)議棧：TCP/IP、Unix、TLI、XNS等,,協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn) 參考Richard. Stevens, TCP/IP詳解卷2 Linux下的實(shí)現(xiàn)在/usr/src/linux-source-2.6.32/net,創(chuàng)建套接字的函數(shù)socket,要使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，首先要創(chuàng)建套接口(socket) man socket,,什么是套接口？ socket是一個文件描述符 BSD的實(shí)現(xiàn)者，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的操作抽象成為文件的操作 為什么要如此抽象

3、？文件的讀、寫等操作具有一般性 除了socket抽象成為文件外，還有那些東西被抽象成為文件？ 目錄 設(shè)備 epoll、kqueue,,文件描述符的含義 進(jìn)程結(jié)構(gòu) 文件描述符表 文件表 文件結(jié)構(gòu) socket結(jié)構(gòu) 文件操作函數(shù)表 inpcb,,,,套接字類型,套接字支持多種通信協(xié)議： Unix：Unix系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)議 INET：IP版本4 INET6：IP版本6 套接字類型，即應(yīng)用程序希望的通信服務(wù)類型 SOCKET_STREAM：雙向可靠數(shù)據(jù)流，對應(yīng)TCP SOCKET_DGRAM：雙向不可靠數(shù)據(jù)報(bào)，對應(yīng)UDP SOCKET_RAW：是低于傳輸層的低級協(xié)議或物理網(wǎng)絡(luò)提供的套接字類型，可以訪問內(nèi)部

4、網(wǎng)絡(luò)接口。 Protocol？ /usr/include/bits/socket.h /usr/include/netinet/in.h,2. 網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)的地址表示方式有哪些？IPv4 域名，Dns 點(diǎn)分十進(jìn)制，192.168.1.1 編程使用的結(jié)構(gòu) IPv4地址定義： /usr/include/netinet/in.h /usr/include/bits/sockaddr.h /* Internet address. */ typedef uint32_t in_addr_t; struct in_addr in_addr_t s_addr; ;,,#define __SOCKAD

5、DR_COMMON(sa_prefix) sa_family_t sa_prefix##family/* sockaddr.h */ /* Structure describing an Internet socket address. */ struct sockaddr_in __SOCKADDR_COMMON (sin_); /* Socket family */ in_port_t sin_port;/* Port number. */ struct in_addr sin_addr;/* Internet address. */ /* Pad to size of struct s

6、ockaddr. 8bytes*/ unsigned char sin_zerosizeof (struct sockaddr) - __SOCKADDR_COMMON_SIZE - sizeof (in_port_t) - sizeof (struct in_addr); ;/* 16bytes */,,Linux中的sockaddr_in定義與教材中稍有不同 注意如下幾個宏： /* Address to accept any incoming messages. */ #defineINADDR_ANY((in_addr_t) 0 x00000000) /* Address to sen

7、d to all hosts. */ #defineINADDR_BROADCAST((in_addr_t) 0 xffffffff) /* Address indicating an error return. */ #defineINADDR_NONE((in_addr_t) 0 xffffffff),,IPv6地址定義 /* Ditto, for IPv6. */ struct sockaddr_in6 __SOCKADDR_COMMON (sin6_); in_port_t sin6_port; /* Transport layer port # */ uint32_t sin6_

8、flowinfo; /* IPv6 flow information */ struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */ uint32_t sin6_scope_id;/* IPv6 scope-id */ ;/* 28bytes */,,通用套接字地址結(jié)構(gòu)（/usr/include/bits/socket.h） /* Structure describing a generic socket address. */ struct sockaddr __SOCKADDR_COMMON (sa_); /* Common data: address

9、family and length. */ char sa_data14;/* Address data. */ ; 與教材中定義稍有不同 使用sockaddr_in結(jié)構(gòu)前，一定要清空它 bzero(,,,3. 字節(jié)序,什么是字節(jié)序？（網(wǎng)絡(luò)地址使用的一個細(xì)節(jié)問題） 字節(jié)作為存儲和尋址的最小單位 以字節(jié)為單位在內(nèi)存中的排列問題 不同類型的機(jī)器上，對c語言原生類型字節(jié)排列的順序可能不一樣 例子 union short s; char csizeof(short); un; un.s = 0 x0201; printf(“%d, %dn”, un.c0, un.c1); x86運(yùn)行結(jié)果：1, 2 p

10、owerpc運(yùn)行結(jié)果：2, 1,02,01,01,02,,,地址低位,地址高位,x86,powerpc,un.c0,un.c1,,將小序號字節(jié)放在低位字節(jié)的機(jī)器，稱為小序機(jī)器；將大序號字節(jié)放在高位字節(jié)的機(jī)器，稱為大序機(jī)器 x86是小序機(jī)器，Arm是大序機(jī)器 網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序，按照大序機(jī)器傳送的字節(jié)序,02,01,,02,01,02,01,powerpc,x86,解釋？,,字節(jié)變換函數(shù)(/usr/include/netinet/in.h) htons ntohs htonl ntohl,字節(jié)序的理解,一個字符串在大序和小序機(jī)器上的排列是否有不同？ 一個字節(jié)0 x12從大序機(jī)器傳遞到小序機(jī)器上，是否表現(xiàn)

11、為0 x21？ C語言中的bit位定義，例如TCP頭部的定義： # if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN u_int16_t res1:4; u_int16_t doff:4; # elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN u_int16_t doff:4; u_int16_t res1:4; ,,注意只有C語言的原生類型：char、short、long等，才會出現(xiàn)字節(jié)序問題。下例結(jié)構(gòu)中，x、y是否會出現(xiàn)位置顛倒的情況？ struct X struct Y y; struct Z z; ; 網(wǎng)絡(luò)地址192.168.1.1，在

12、IP包中的排列如何？,4.網(wǎng)絡(luò)編程基本模型,在面向連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程時，通常都會采用client/sever模型，這是由協(xié)議所決定的。 并且是多對一的服務(wù),,對等網(wǎng)（Peer-to-Peer，P2P）呢？ P2P是指邏輯上對等，如果采用TCP通信，在一次通信中，仍然存在client/server的劃分 UDP呢？ socket bind recvfrom sendto，采用同一個端口？,5. 常用函數(shù),字節(jié)操縱函數(shù) /usr/include/strings.h #include void bzero(void *dest, size_t nbytes); void bcopy(const vo

13、id *src, void *dest, size_t nbytes); int bcmp(const void *ptr1, const void *ptr2, size_t nbytes); Returns: 0 if equal, nonzero if unequal /usr/include/string.h #include void *memset(void *dest, int c, size_t len); void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t nbytes); int memcmp(const void *ptr1,

14、 const void *ptr2, size_t nbytes); Returns: 0 if equal, 0 if unequal (see text),,地址變換函數(shù) /usr/include/arpa/inet.h #include int inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr); Returns: 1 if OK, 0 if input not a valid presentation format, -1 on errorconst char *inet_ntop(int family, const v

15、oid *addrptr, char *strptr, size_t len); Returns: pointer to result if OK, NULL on error,inet_pton,10 int 11 inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr) 12 if (family == AF_INET) struct in_addr in_val; if (inet_aton(strptr, ,例子,char IPdotdec20; //存放點(diǎn)分十進(jìn)制IP地址struct in_addr s; // IPv4地

16、址結(jié)構(gòu)體int main (void) // 輸入IP地址 printf(Please input IP address: ); scanf(%s, ,,錯誤處理函數(shù) errno /usr/include/errno.h #ifndef errno extern int errno; #endif 當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用或者庫調(diào)用出錯時，errno給出出錯的信息 注意，errno并不是系統(tǒng)調(diào)用或函數(shù)調(diào)用的返回值 errno可以看成一個整數(shù)值，出錯時errno為非0值 errno是每線程一個實(shí)例 if (somecall() == -1) printf(somecall() failedn); if (er

17、rno == ...) ... ,,perror #include void perror(const char *s); perror打印errno對應(yīng)的出錯信息，同時打印一個定制的字符串s perror定制的能力有限 strerror #include char *strerror(int errnum); strerror打印errnum對應(yīng)的出錯信息,,讀寫函數(shù) 一個文件描述符對應(yīng)的操作封裝在file_operations結(jié)構(gòu)中， /usr/src/linux-source../include/linux/sched.h struct task_struct /* open file

18、 information */ struct files_struct *files; ; /usr/src/linux-source../include/linux/fdtable.h struct files_struct struct fdtable *fdt; ;,,struct fdtable struct file ** fd; /* current fd array */ ; /usr/src/linux-source../include/linux/fs.h struct file const struct file_operations*f_op; ;,,struct

19、 file_operations ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *,

20、unsigned long, loff_t); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); ;,,read/write函數(shù)調(diào)用與socket關(guān)聯(lián)的file_operations結(jié)構(gòu)中操作函數(shù)，向外收發(fā)數(shù)據(jù) 對應(yīng)于BSD的協(xié)議棧，write最終要調(diào)用sosend sosend函數(shù)會調(diào)用協(xié)議的pr_usrreq函數(shù) read要調(diào)用soreceive函數(shù) soreceive函數(shù)會調(diào)用協(xié)議的pr_usrreq函數(shù) pr_usrreq是每個協(xié)議需要實(shí)現(xiàn)的用戶對協(xié)議的操作函數(shù)。除了收發(fā)數(shù)據(jù)最終會調(diào)用p

21、r_usrreq外，bind、connet等函數(shù)，由于會對TCP協(xié)議進(jìn)行操縱，也會調(diào)用pr_usrreq。 pr_usrreq在哪里？在一個稱為protosw結(jié)構(gòu)中定義為一個函數(shù)插槽,,協(xié)議的堆疊，TCP/IP詳解卷2第7章,read函數(shù),#include ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); 返回值：=0正確返回；==-1, 出錯 count表示buf的大小，返回值無論如何不會超過它的大小 有兩種返回0的情況 對端關(guān)聯(lián)TCP連接，讀到頭了； count = 0 返回-1，需要檢查errno，有些錯誤可以處理 EAGAIN/EWOULDB

22、LOCK，表示非阻塞的讀寫 EINTR，讀阻塞被信號中斷,,#include ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); 返回值：0，實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)；==-1，出錯 向?qū)Χ税l(fā)送數(shù)據(jù)，count表示buf中所含數(shù)據(jù)的大小 出錯的情況 EINTR，被信號中斷 EAGAIN，非阻塞發(fā)送 EPIPE，表示socket另一端寫關(guān)閉，何種情況？,數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)send,#include #include ssize_t send (int s, const void *msg, size_t len, int flags); 返回：非0發(fā)送

23、成功的數(shù)據(jù)長度；-1出錯； flags 是傳輸控制標(biāo)志，其值定義如下： 0：常規(guī)操作，如同write()函數(shù) MSG_OOB，發(fā)送帶外數(shù)據(jù)。 MSG_DONTROUTE：忽略底層協(xié)議的路由設(shè)置，只能將數(shù)據(jù)發(fā)送給與發(fā)送機(jī)處在同一個網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器上。,數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)recv,#include #include ssize_t recv(int s, void *buf ,size_t len, int flags); 返回：大于0表示成功接收的數(shù)據(jù)長度；0: 對方已關(guān)閉，-1:出錯。 flags是傳輸控制標(biāo)志，其值定義如下： 0：常規(guī)操作，如同read()函數(shù)； MSG_PEEK：只查看數(shù)據(jù)而不讀出數(shù)據(jù)，后續(xù)讀操作仍然能讀該數(shù)據(jù)； MSG_OOB：忽略常規(guī)數(shù)據(jù)，而只讀帶外數(shù)據(jù)； MSG_WAITALL：recv函數(shù)只有在將接收緩沖區(qū)填滿后才返回。,思考題,使用C++封裝IPv4和IPv6地址。提示：參考boost::asio庫、ACE庫。 UDP是否可以采用read、write函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)？應(yīng)該如何做到？為什么UDP通常采用recvfrom/sendto來收發(fā)數(shù)據(jù)？,