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1、网络协议
1.1、为什么有四层协议
ISO制定出7层OSI协议标准。实际使用4层协议，物理层为网卡等硬件需要遵守的，这里不做解释。
OSI标准非常好，但是协议栈要嵌入操作系统。就不能把应用层、表示层、会话层放入操作系统，这三层是用户软件需要遵守的。所以TCP/IP就将其统一应用层。
数据在一台电脑中传输，可以把主板看作一个网络结构，因其传输距离近，所以极少发生丢包、错误等概率。
网络传输距离变长，四层协议分别解决的问题：
1.2、封装、解包与分用
发送数据不是目的，使用数据才是。数据的产生于用户，发送的对象也是用户。因此，A电脑向B电脑发送数据，必须从A的应用层到A的物理层，通过硬件到B的物理层，再到B的应用层。
协议的本质就是一个结构体！
A向B发送“你好”，在每层协议中都会加上报头，增加报头的过程就是封装。
B的网卡接收到数据，逐渐剥离报头的过程是解包，传递给上一层协议教分用。
F：解包怎么做到的？ A：每个报头结构体的大小固定或者报头固定位置记录了大小。通过类型强转，指针解引用解包。
F：分用怎么知道向上传递给哪个协议？ A：报头中也有记录。
2、MAC、IP与端口
2.1、MAC地址与局域网通信
网络需求最开始出现在某实验室，人们通过几根网线连接几台电脑，实现通信。出现了第一个局域网。后来企业、高校、军事等方面也陆续模仿、有了多个局域网。但是，局域网通信的标准统一不了。
两种常见的局域网哪个通信标准：
- 令牌环网：令牌是一个小数据帧，谁拿到这个令牌谁就能发送数据。令牌在局域网哪个中的各个主机中轮流传递。
MAC地址是一个48位数字，理论上全球唯一，用于标识表示数据源主机，目的主机。主机发送数据，局域网哪个中所有主机都会收到数据。数据会被发送到局域网中的每台主机，如果本机MAC与目的主机MAC不一样，否则丢弃数据。
2.2、IP与跨网络通信
IP地址是32位整数（ipv4），用于定位全球范围内唯一一台主机（公网IP）。
如图两主机位于不同局域网，不同直接通信，必须借助路由器。路由器必须至少有两个IP地址和MAC地址。
如果是上面局域网通信，可以通过IP判断目标主机是否当局域网内。如果不是，就发给路由器。在网络层判断是否发给路由器自己的，如果不是就重新封装（last src ip和last src mac发生变化），通过路由器其他端口转发。直到目标主机局域网路由器接收到数据。
2.3、端口
端口用于表示决定数据往目标主机哪个进程发送，接收的电脑进程通过监听指定端口，获得数据。
端口用于标识目需要数据的唯一进程，PID也能标识唯一的进程。从技术上是一定能实现的，但是没人这么做。不用PID的原因：网络与系统解耦，不是所有进程都需要网络数据，进程重启PID就变了。
IP用于标识唯一一台主机，端口用于标识唯一一个进程。IP+端口的组合可以标识全球网络范围内唯一一个进程。因此，网络通信的本质是进程间通信。
3、socket编程
3.1、socket编程简介
把IP地址加端口号的通信编程方式叫做socket编程。在传输层有两个特别常用的协议：
TCP/IP规定：网络传输中必须使用大端序数据，且先发低地址数据后发高地址数据。
为了使用户学习成本更低，开发者设计的不同通信方式的接口都一样。
统一的网络标准接口是通过C语言实现多态实现的，sockaddr_in、sockaddr_un是具体的类型，通过开头16位的地址类型可以确定是什么类型。
sockarddr 是父类用于函数参数，通常实现sockaddr_in子类，在子类填写ip地址、端口号。
使用时，传参需要将sockaddr_in强转成sockaddr类型。
3.2socket编程常用接口
3.2.1、TCP、UDP共用接口
可以使用下面一组函数在主机字节序和网络字节序之间转换：
uint32_thtonl(uint32_t hostlong); // host to net longuint16_thtons(uint16_t hostshort); // host to net shortuint32_tntohl(uint32_t netlong); // net to host longuint16_tntohs(uint16_t netshort); // net to host short
创建套本地接字文件描述符：
intsocket(int domain, int type, int protocol);
参数：
- domain：地址族，填写宏。常见有：AF_UNIX（域间通信）、AF_INET（ipv4）、AF_INET6（ipv6）。
- type：套接字类型，填写宏。常见有：SOCK_STREAM（面向字节流、有序、可靠、有链接）、SOCK_DGRAM（面向数据报、不可靠、无连接）。
返回值：
在填写ip是可以使用inet_pton，可以直接将点分十进制字符串IP地址转换成二进网络字节序的ip。
in_addr_tinet_addr(constchar *cp);
若不使用这个函数，可以使用结构体位段实现转换： struct ipv4_addr_bitfield { unsigned int part1 : 8; // 第1段 unsigned int part2 : 8; // 第2段 unsigned int part3 : 8; // 第3段 unsigned int part4 : 8; // 第4段 }; struct ipv4_addr_bitfield ip; ip.part1 = 192; // 0xC0 ip.part2 = 168; // 0xA8 ip.part3 = 1; // 0x01 ip.part4 = 1; // 0x01 unsigned int p = (unsigned int)&ip; 与大小端机器有紧密关系，必须用htonl转换。
将IP转位点分十进制字符串：
[[deprecated]] char *inet_ntoa(struct in_addr in);
将sockaddr_in对象绑定到文件描述符：
intbind(int sockfd, conststruct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数：
- addr：填写具体的类型然后强转，例如：
(sockaddr*)sockaddr_in。
3.2.2、UDP独有接口
UDP接收网络数据：
ssize_trecvfrom(int sockfd, void buf[restrict .len], size_t len, int flags, struct sockaddr *_Nullable restrict src_addr, socklen_t *_Nullable restrict addrlen);
参数：
- sockfd：从sockfd文件描述符绑定的调节字接收。
- flags：填0，正常读取。填MSG_PEEK，读取后不会删除，下次可再读。
- src_addr：用于接收发送方的sockaddr的指针（方便后续给发送方回复数据）。
返回值：
UDP发送数据：
ssize_tsendto(int sockfd, constvoid buf[.len], size_t len, int flags, conststruct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
参数：
- sockfd：使用sockfd绑定的套接字发送数据。
- flags：填0，默认发送行为。填MSG_NOSIGNAL，对方断开连接也不触发异常，避免程序崩溃，UDP用不到。
- dest_addr：向dest_addr指向的套接字发送数据。
返回值：
3.2.3、TCP独有接口
UDP是面向数据报的协议，所以不能使用文件接口，而TCP是面向字节流的，所以能够使用文件接口。
下面两个接口不做解释：
ssize_tread(int fd, void buf[.count], size_t count);ssize_twrite(int fd, constvoid buf[.count], size_t count);
TCP发送数据：
ssize_tsend(int sockfd, constvoid buf[.len], size_t len, int flags);
参数：
TCP接收数据：
ssize_trecv(int sockfd, void buf[.len], size_t len, int flags);
参数：
TCP进入Listen状态，TCP是基于连接的协议，这就要求服务端监听客户端发来的请求：
intlisten(int sockfd, int backlog);
参数：
- sockfd：有socket函数创建的文件描述符。
- backlog：底层挂起连接队列（待完成连接队列）的最大长度。若满了后收到连接请求，客户端会收到错误拒绝
ECONNREFUSED，若是底层协议支持重传，客户端会延迟重新发送连接请求。
提取挂起连接队列中第一条 TCP 连接，返回专门和客户端通信的新套接字。
intaccept(int sockfd, struct sockaddr *_Nullable restrict addr, socklen_t *_Nullable restrict addrlen);
参数：
- sockfd：由socket创建的基于连接的文件描述符。
- addr：输出型参数，被设置成客户端的sockaddr。
- addrlen：输入输出型参数，被设置成实际sockaddr的字节数。
返回值：
- 成功：返回一个新的文件描述符，用于专门与该连接的客户端通信。
TCP建立三次握手连接：（该函数UDP也可用，但作用完全不一样）
intconnect(int sockfd, conststruct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数：
- sockfd：由socket创建的本地文件描述符。
- addr：向addr的服务器建立连接，通常是客户端做。
4、UDP群聊服务器
4.1、基础版echo server
源码上传至【https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/tree/main/6_7】。
云服务器不能显示绑定公网IP，因为它存在多个IP地址（公网IP、本地环回、内网IP），一般的服务都要监听这几个IP。可以绑定0.0.0.0监听所有IP。
UdpServer.hpp：
#ifndef __UDP__SERVER__HPP#define __UDP__SERVER__HPP#include"Logger.hpp"#include<cstdint>#include<cstring>#include<strings.h>#include<unistd.h>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<string>#include<functional>#include"Logger.hpp"using namespace NS_LOGGER_MUDULE;#define BUF_SIZE 1024using callback_t = std::function<void(void*,void*,ssize_t*)>;enum { SUCCES = 0, BIND, RECVFROM, SENDTO};class UdpServer{public: UdpServer(callback_t cb, std::string ip = "0.0.0.0", uint16_t port = 5678) :_ip(ip) ,_port(port) ,_cb(cb) { } voidInit() { // 1.创建文件描述符 ssize_t n = sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if(n < 0) { LOG(LogLevel::FATAL) << "sockfd create error... "; exit(BIND); } // 2.创建结构体并填写ip、port信息 struct sockaddr_in addr; bzero(&addr, sizeof(sockaddr)); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_port = htons(_port); addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // 3.绑定信息到文件描述符 n = bind(sockfd, (sockaddr*)&addr, sizeof(sockaddr)); if(n < 0) { LOG(LogLevel::FATAL) << "bind error... "; exit(BIND); } LOG(LogLevel::DEBUG) << "init succes... "; } voidStart() { LOG(LogLevel::DEBUG) << "start succes... "; while(true) { // 存储发送方信息 struct sockaddr_in peer; socklen_t len = sizeof(peer); char inbuf[BUF_SIZE]; ssize_t n = recvfrom(sockfd, inbuf, sizeof(inbuf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len); if(n < 0) { LOG(LogLevel::WARNING) << "recvfrom error... "; exit(RECVFROM); } else { LOG(LogLevel::INFO) << "[" << inet_ntoa(peer.sin_addr) << ":" << ntohs(peer.sin_port) << "]" << "read " << n << " bytes"; char outbuf[BUF_SIZE]; _cb((void*)inbuf, (void*)outbuf, &n); n = sendto(sockfd, outbuf, n, 0, (struct sockaddr*)&peer, len); if(n < 0) { LOG(LogLevel::WARNING) << "sendto error... "; exit(SENDTO); } } } } ~UdpServer() { close(sockfd); }private: std::string _ip; uint16_t _port; int sockfd; callback_t _cb;};#endif
server_udp.cc：
#include"Logger.hpp"#include"UdpServer.hpp"#include<cstdint>#include<memory>#include<unistd.h>voidUsage(char argv[]){ std::cout << "Usage:\n\t" << argv << " port" << std::endl; }// ./udp_server portintmain(int argc, char* argv[]){ if(argc != 2) { Usage(argv[0]); exit(1); } ENABLE_CONSOLE_STRATEGY(); std::string ip = "0.0.0.0"; uint16_t port = std::atoi(argv[1]); std::unique_ptr<UdpServer> upd_server = std::make_unique<UdpServer>([](void* inbuf, void* outbuf, ssize_t* n){ char* in = (char*)inbuf; in[*n] = 0; std::cout << in << std::endl; char* out = (char*)outbuf; sprintf(out, "echo: %s", in); *n = strlen(out); }, ip, port); upd_server->Init(); upd_server->Start(); return 0;}
客户端不要显示本地绑定ip和本地端口，这是为了避免端口号冲突，由系统自动分配。 client_udp.cc：
#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<stdlib.h>#include<iostream>#include<string>#include<strings.h>#include<sys/types.h>#define BUF_SIZE 1024voidUsage(char argv[]){ std::cout << "Usage:\n\t" << argv << " ip port" << std::endl;}// ./client ip portintmain(int argc, char *argv[]){ if(argc != 3) { Usage(argv[0]); exit(1); } int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if(sockfd < 0) { std::cerr << "sockfd create error..."; exit(1); } struct sockaddr_in server; bzero(&server, sizeof(server)); server.sin_family = AF_INET; server.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); server.sin_port = htons(atoi(argv[2])); std::string mesg; while(std::getline(std::cin, mesg)) { ssize_t n = sendto(sockfd, mesg.c_str(), mesg.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)); if(n < 0) { std::cerr << "sendto error..."; } else { struct sockaddr_in tmp; socklen_t len = sizeof(tmp); char buf[BUF_SIZE]; n = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*)&tmp, &len); if(n < 0) { std::cerr << "recvfrom error..."; } else { buf[n] = 0; std::cout << buf << std::endl; } } } return 0;}
服务端效果（Ubuntu）：
客户端效果（Android+Termux）：
4.2、改进版群聊服务器
源码上传至【https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/tree/main/6_8】。 架构图：
效果:
5、TCP实现简单远程连接
5.1、TCP版本echo server
源码已上传至：【gitee：https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/tree/main/6_29/versoin1】。
TCP服务器流程与UDP大同小异，流程如下：
5.1.1、version1 单进程单线程版本
该版本只能至多同时连接一个客户端，实现简单，但没有工程意义。
主要实现逻辑（伪代码）：
while(true){ accept(); ... Service();)
5.1.2、version2 多进程版本
该版本实现异步处理服务。
多线程版本最大的问题在于等待子进程退出。
解决方法1：
while(true){ // 5. 接收连接 struct sockaddr_in peer; socklen_t len; int sockfd = accept(_listensockfd, (struct sockaddr*)&peer, &len); ... // 6 .处理连接服务 InetAddr addr(peer); // version 2: 多进程版本 pid_t pid = fork(); if(pid < 0) { LOG(LogLevel::FATAL) << "fork err..."; } else if(pid == 0) { // child // 关闭无用文件描述符 close(_listensockfd); // 子进程直接退出 if(fork() > 0) exit(SUCCES); // 只有孙子进程会执行到这里 ServiceIO(sockfd, addr); close(sockfd); exit(SUCCES); } else { // parent // 关闭无用文件描述符 close(sockfd); wait(nullptr); }}
该方法利用系统特性，创建子进程后，创建孙子进程。当子进程退出，孙子进程称为孤儿进程，托管到1号进程进程回收。
解决方法2（伪代码）:
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);while(true){ accept(); ... pid = fork(); if(id < 0) ... else if(id == 0) // child else { // parent ServiceIO(); })
该方法是最佳实践，捕捉信号处理，然后忽略掉处理子进程退出信息。
5.1.3、version3 多线程版本
多线程主要是解决创建多进程时的效率问题，多进程的创建页表、虚拟空间写实拷贝会有严重拖慢效率。
写法1（原生线程库）（伪代码）：
while(true){ accept(); ThreadData* td = new ThreadData(this, sockfd, addr); pthread_t tid; pthread_create(&tid, nullptr, thread_routine, (void*)td);}staticvoid* thread_routine(void* args){ ThreadData* data = static_cast(args); pthread_detach(pthread_self()); data->_this->ServiceIO(data->_sockfd, data->_addr); delete data; pthread_exit(nullptr);}struct ThreadData{ ThreadData(TcpServer* ts, int sockfd, const InetAddr& addr) :_this(ts) ,_sockfd(sockfd) ,_addr(addr) { } TcpServer* _this; int _sockfd; InetAddr _addr;};
实现思路，使用线程库的pthread_detach进行分离线程。这里的thread_routine需要一个_this参数，是因为thread_routine静态函数，没有this指针，通过_this可以调用TcpServer的函数。
写法2（线程库）（伪代码）：
// 接入线程库ThreadPool::Instance()->Enqueue([this,sockfd, &addr](){ this->ServiceIO(sockfd, addr); });
该方法效率更高，提前创建线程，连接到客户端直接把任务交给线程库中线程。
5.2、简易版Remote SSH
源码已上传至：【gitee：https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/tree/main/6_30】。
说明：没有任何安全验证，不可用于生产环境。
先看整体架构图：
再看主要的流程：
注意：当读端退出，写端进程会自动退出。服务器应该一直工作才对！！！
TCP是基于连接的协议，客户端和服务端是平等关系，因此，服务端可以先像客户端发送命令行信息。
6、补充与总结
6.1、补充
一、函数缩写
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|---|
inet_addr() | | |
inet_aton() | internet address to network | |
inet_ntoa() | internet network to address | |
inet_pton() | internet presentation to network | |
inet_ntop() | internet network to presentation | |
htonl() | | |
htons() | | |
ntohl() | | |
ntohs() | | |
注意：inet_addr和inet_ntoa是不可重入函数，线程不安全的，推荐使用线程安全的inet_pton和inet_ntop。
二、地址族/协议域（domain）
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|---|
AF_INET | | |
AF_INET6 | Address Family Internet version 6 | |
AF_UNIX | | |
AF_LOCAL | | |
AF_PACKET | | |
PF_INET | | |
注意：AF_* 和 PF_* 在 Linux 中通常值相同，现在统一使用 AF_*
三、套接字类型（type）
四、协议（protocol）
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|---|
IPPROTO_TCP | | | |
IPPROTO_UDP | | | |
IPPROTO_SCTP | | | |
IPPROTO_ICMP | | | |
IPPROTO_RAW | | | |
IPPROTO_IP | | | |
6.2、总结
sockaddr 作为基类，具体使用时强转 sockaddr_in（IPv4）或 sockaddr_un（Unix域）。核心接口如下：
| | |
|---|
| socket → bind → recvfrom/sendto | |
| socket → bind → listen → accept → recv/send | socket → connect → recv/send |
区别：UDP 无连接、不可靠、面向数据报；TCP 面向连接、可靠、面向字节流。
是否基于连接不能说是优缺点，只能说是特征，每一种协议都有自己的作用。
10个月宝宝每天需要喝多少奶粉？
