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内容提要

本节主要学习网络通信基础,主要涉及的内容是:

TCP/IP协议簇基础:两个模型

IPv4协议基础:IP地址分类与表示,子网掩码等

IP地址转换:点分十进制\二进制

TCP/IP协议簇基础

OSI模型

我们知道计算机网络之中,有各种各样的设备,那么如何实现这些设备的通信呢?

显然是通过标准的通讯协议,但是，整个网络连接的过程相当复杂，包括硬件、软件数据封包与应用程序的互相链接等等，如果想要写一支将联网全部功能都串连在一块的程序，那么当某个小环节出现问题时，整只程序都需要改写,非常麻烦！

那怎办？没关系，我们可以将整个网络连接过程分成数个阶层 (layer)，每个阶层都有特别的独立的功能，而且每个阶层的程序代码可以独立撰写，因为每个阶层之间的功能并不会互相干扰的。如此一来，当某个小环节出现问题时，只要将该层级的程序代码重新撰写即可。所以程序撰写也容易，整个网络概念也就更清晰！那就是目前你常听到的OSI 七层协定 (Open System Interconnection) 的概念！

如果以图示来说，那么这七个阶层的相关性有点像底下这样:

图 1----- OSI 七层协议各阶层的相关性

依据定义来说，越接近硬件的阶层为底层 (layer 1)，越接近应用程序的则是高层 (layer 7)。不论是接收端还是发送端，每个一阶层只认识对方的同一阶层数据。而整个传送的过程就好像人们在寄快递一般，我们透过应用程序将数据放入第七层的包裹，再将第七层的包裹放到第六层的包裹内，依序一直放到第一层的最大的包裹内，然后传送出去给接收端。接收端的主机就得由第一个包裹开始，依序将每个包裹拆开，然后一个一个交给对应负责的阶层来视察.是 OSI 七层协议在阶层定义方面需要注意的特色。

既然说是包裹，那我们都知道，包裹表面都会有个重要的信息，这些信息包括有来自哪里、要去哪里、接收者是谁等等，而包裹里面才是真正的数据。同样的，在七层协议中，每层都会有自己独特的表头数据 (header)，告知对方这里面的信息是什么，而真正的数据就附在后头！我们可以使用如下的图示来表示这七层每一层的名字，以及数据是如何放置到每一层的包裹内：

图 2-----OSI 七层协议数据的传递方式

上图中仔细看每个数据报的部分，上层的包裹是放入下层的数据中，而数据前面则是这个数据的表头。其中比较特殊的是第二层，因为第二层 (数据链结层) 主要是位于软件封包 (packet) 以及硬件讯框 (frame) 中间的一个阶层，他必须要将软件包装的包裹放入到硬件能够处理的包裹中，因此这个阶层又分为两个子层在处理相对应的数据。因为比较特殊，所以，第二层的数据格式比较不一样，尾端还出现一个检查码.

每一个阶层所负责的任务是什么呢？简单的说，每一层负责的任务如下：

事实上， OSI 七层协议只是一个参考的模型 (model)，目前的网络社会并没有什么很知名的操作系统在使用 OSI 七层协定的联网程序代码.

TCP/IP 协议

TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层。如下图所示，如果没有特别说明，一般引用的图都出自《TCP/IP详解 卷一》。

图3 -----TCP/IP协议栈

其实 TCP/IP 也是使用 OSI 七层协议的观念，所以同样具有分层的架构，只是将它简化为四层，在结构上面比较没有这么严谨，程序撰写会比较容易些。

既然 TCP/IP 是由 OSI 七层协议简化而来，那么这两者之间有没有什么相关性呢？它们的相关性可以图示如下，同时这里也列出目前在这架构底下常见的通讯协议、封包格式与相关标准:

图 4 -----OSI 与 TCP/IP 协议之相关性

从上图中，我们可以发现 TCP/IP 将应用、表现、会谈三层整合成一个应用层，在应用层上面可以实作的程序协议有 HTTP, SMTP, DNS 等等。传送层则没有变，不过依据传送的可靠性又将封包格式分为连接导向的 TCP 及非连接导向的 UDP 封包格式。网络层也没有变，主要内容是提供了 IP 封包，并可选择最佳路由来到达目标 IP 地址。数据链结层与物理层则整合成为一个链结层，包括定义硬件讯号、讯框转位串的编码等等，因此主要与硬件 (不论是区网还是广域网) 有关。

那 TCP/IP 是如何运作的呢？我们就拿常常连上的 google入口网站来做个说明，整个联机的状态可以这样看：

0. 应用程序阶段：妳打开浏览器，在浏览器上面输入网址列，按下 [Enter]。此时网址列与相关数据会被浏览器包成一个数据，并向下传给 TCP/IP 的应用层；
1. 应用层：由应用层提供的 HTTP 通讯协议，将来自浏览器的数据报起来，并给予一个应用层表头，再向传送层丢去；
2. 传送层：由于 HTTP 为可靠联机，因此将该数据丢入 TCP 封包内，并给予一个 TCP 封包的表头，向网络层丢去；
3. 网络层：将 TCP 包裹包进 IP 封包内，再给予一个 IP 表头 (主要就是来源与目标的 IP )，向链结层丢去；
4. 链结层：如果使用以太网络时，此时 IP 会依据 CSMA/CD 的标准，包裹到 MAC 讯框中，并给予 MAC 表头，再转成位串后，利用传输媒体传送到远程主机上。

等到google收到你的包裹后，在依据相反方向拆解开来，然后交给对应的层级进行分析，最后就让google 的 WWW 服务器软件得到你所想要的数据，该服务器软件再根据你的要求，取得正确的资料后，又依循上述的流程，一层一层的包装起来，最后传送到你的电脑页面.

各层功能和协议的简单解释

1)网络接口层:模型的基层,负责数据帧的发送和接收(帧是网络信息的独立传输单元).该层将帧发送到网络或从网络取下.

2)互联层:互联协议将数据包封装成IP数据包,并进行必要的路由算法,有效地找到目的主机最优的路径树.这里有四种协议:

①网际协议IP:负责在主机和网络之间寻找路径和路由数据包.

②地址解析协议ARP:获得同一网络中的主机硬件地址.

③ 网际控制信息协议ICMP:发送信息,并报告有关数据包的错误信息

④互联组管理协议IGMP:同来实现本地多路组播路由器报告.

3)传输层:传输协议在主机之间提供通信会话,传输协议的选择因数据传输方式而定:主要有两种传输协议:

TCP传输控制协议:为应用程序提供可靠的通信连接,适合于一次传输大量数据的情况,并适用于要求得到响应的应用程序.

UDP用户数据包协议:提供了无连接通信,部队传送包进行可靠确认,适用于小量数据且不需确认得到响应的情况

4)应用层:应用程序通过这一层访问网络,主要常见的协议有FTP,HTTP,DNS,TELNET.等.

TCP/IP协议簇体系中,在网络接口层,最重要的信息是主机的ＭＡＣ地址，在物理上唯一的标示一台主机,IP层的IP地址在逻辑上唯一标示某台主机,如果一台主机有多个IP地址,则其在网络上有多个身份.在主机内部,传输层的端口对应唯一的应用服务.

IPv4协议基础

一台连接到网络的主机必须要有IP才能与其他主机进行通信

IP地址的表示形式和分类

1.ip地址有两种表示形式:

点分十进制和点分二进制.

十进制的表示形式中每个IP地址长度位四个字节,由4~8位组成,通常称为八位体.一个IP地址的4个域分别标明了网络号和主机号,即是每个每个IP地址由两部分组成:网络号Net_ID和主机号Host_ID.

<span style="font-family:SimSun;font-size:12px;">IPv4 结构：

struct  in_addr {
         in_addr_t  s_addr; // 32-bit IPv4 address, 网络字节序
};</span>

主机ID:确定网络中的一个工作端\服务器\路由器或者其他的TCP/IP主机.对于同一个网络号而言,主机号是唯一的.每个主机由一个逻辑IP地址确定网络号和主机号.

IP 在同一网域的意义

那么同一个网域该怎么设定，与将 IP 设定在同一个网域之内有什么好处呢？

• Net_ID 与 Host_ID 的限制：
  在同一个网段内，Net_ID 是不变的，而 Host_ID 则是不可重复，此外，Host_ID 在二进制的表示法当中，不可同时为 0 也不可同时为 1 ，因为全为 0 表示整个网段的地址 (Network IP)，而全为 1 则表示为广播的地址 (Broadcast IP)。
  
  
• 在区网内透过 IP 广播传递数据
  在同物理网段的主机如果设定相同的网域 IP 范围 (不可重复)，则这些主机都可以透过 CSMA/CD 的功能直接在区网内用广播进行网络的联机，亦即可以直接网卡对网卡传递数据 (透过 MAC )；
  
  
• 设定不同区网在同物理网段的情况
  在同一个物理网段之内，如果两部主机设定成不同的 IP 网段，则由于广播地址的不同，导致无法透过广播的方式来进行联机。此时得要透过路由器 (router) 来进行沟通才能将两个网域连结在一起。
  
  
• 网域的大小
  当 Host_ID 所占用的位越大，亦即 Host_ID 数量越多时，表示同一个网域内可用以设定主机的 IP 数量越多。

2.IP地址的分类

为了 IP 管理与发放注册的方便性，以及方便管理主机号和网络号大小的关系,InterNIC 将整个 IP 网段分为五种等级，每种等级的范围主要与 IP 那 32 bits 数值的前面几个位有关，基本定义如下：

以二进制说明 Network 第一个数字的定义：
Class A : 0xxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx  ==> NetI_D 的开头是 0,占一个字节
          |--net--|---------host------------|
Class B : 10xxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx  ==> NetI_D 的开头是 10,占两个字节
          |------net-------|------host------|
Class C : 110xxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx  ==> NetI_D 的开头是 110,占三个字节
          |-----------net-----------|-host--|
Class D : 1110xxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx  ==> NetI_D 的开头是 1110,整个地址是多点传送地址
Class E : 1111xxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx  ==> NetI_D 的开头是 1111,整个地址是保留地址

五种分级在十进制的表示：
Class A :   0.xx.xx.xx ~ 127.xx.xx.xx
Class B : 128.xx.xx.xx ~ 191.xx.xx.xx
Class C : 192.xx.xx.xx ~ 223.xx.xx.xx
Class D : 224.xx.xx.xx ~ 239.xx.xx.xx
Class E : 240.xx.xx.xx ~ 255.xx.xx.xx

根据上表的说明，我们可以知道，你只要知道 IP 的第一个十进制数，就能够约略了解到该 IP 属于哪一个等级，以及同网域 IP 数量有多少。不过，上表中你只要记忆三种等级，亦即是 Class A, B, C 即可，因为 Class D 是用来作为群播 (multicast) 的特殊功能之用 (最常用在大批计算机的网络还原)，至于 Class E 则是保留没有使用的仅供实验的网段。因此，能够用来设定在一般系统上面的，就只有 Class A, B, C 三种等级的 IP.

B类地址最高两位置为10,前16位网络号,后6位主机号,允许有16384个网络.广播地址是:X.X.255.255

C类地址:高三位置为110,前24位值网络号,后8位主机号,允许有约200万个网络.广播地址是X.X.X.255

在分配网络号和主机号的时候遵守以下原则:

• 网络号不能为127,该表示是保留为本地回路及诊断功能
• 不能将网络号和主机号均置为1.如果每一位都是1,就会被解释为网内广播而不是一个主机号.
• 各位均不能置0,否则该地址被解释为"就是本网络"
• 对于本网络来说,主机号唯一,否则出现IP地址已分配或有冲突的问题
  

子网掩码(NetMask)

TCP/IP的每台主机都需要用一个子网掩码.是一个有4字节的地址.用来封装或屏蔽IP地址的一部分,以区分网络号和主机号.

子网掩码中,对应的IP地址网络号的位置被置为1,对应主机号的位置置为0.即是网络地址可以由IP地址和子网掩码做与运算求得

子网掩码的另一个重要作用就是进行子网划分.....不再赘述.

IP地址转换

inet_addr()函数的语法如下：

#include <sys/socket.h>
#include <neiinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

unsigned long inet_addr(const char * string);

       在新程序中避免使用inet_addr函数，而应该使用inet_aton函数作为代替。因为对于inet_addr函数来说，即使输入的参数是有效的IP地址：255.255.255.255，他的返回值仍然是INADDR_NONE。

inet_aton函数

     inet_aton函数是将字符串形式的IP地址转换为网络字节序的32位IP地址的改进形式。语法如下：

#include <sys/socket.h>
#include <neiinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int inet_aton(const char* string, struct in_addr*addr);

参数string表示点分十进制IP地址的ASCII表示。输出参数addr是一个被新的IP地址跟新的结构。函数调用成功返回非0值。失败返回0.当然他也没有建立一个有效的errno值。

下面我们来看看inet_ntoa函数

 有时候当用户连接到你的服务器的时候，需要知道他的IP地址，系统提供了inet_ntoa函数将32位的二进制IP地址表示转换为点分十进制的字符串形式：

#include <sys/socket.h>
#include <neiinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

char* inet_ntoa(struct in_addr addr);

       需要注意的是inet_ntoa函数的返回值直到下次调用前一直有效。所以如果在线程中使用inet_ntoa的时候，一定要确保每次只有一个线程调用本函数。否则一个线程的返回的结构可能被其他线程返回的结果所覆盖。

inet_network函数

        当我们需要用网络掩码将IP地址中的网络位或者主机位提取出来的时候，如果能将点分十进制的IP地址转换为主机字节序的32位二进制IP地址形式就方便了，而inet_network函数的作用就是如此、语法如下：

#include <sys/socket.h>
#include <neiinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

unsigned long inet_network(const char* addr);

函数的输入参数是存储在字符串addr中的点分十进制IP地址，返回值是主机字节序的32位二进制地址，但是如果输入参数不正确，返回值是0xFFFFFFFF.

    以主机字节序的形式返回结果可以保证用户安全的使用网络掩码，因为如果返回值是网络字节序的话，那么不同的cPu平台所使用的网络掩码和程序代码就会有差异。

inet_lnaof函数

        函数inet_lnaof函数是将套接口地址中的IP地址（网络字节序）转换为没有网络位的主机ID（主机字节序），这个函数为我们省去了很多的麻烦，因为我们不需要对ＩＰ地址进行分类，再将主机为从IP地址中提取出来。函数语法如下：

#include <sys/socket.h>
#include <neiinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

unsigned long inet_lnaof(struct in_addr addr);

下面的表提供了一些可以作为inet_lnaof函数输入的典型例子和返回值：

inet_netof函数

      inet_lnaof函数返回的是主机ＩＤ，而inet_netof函数返回的是网络ＩＤ，函数语法如下：

#include <sys/socket.h>
#include <neiinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

unsigned long inet_netof(struct in_addr addr);

下表展示了一些例子：

inet_makeaddr函数

根据之前的内容我们知道使用inet_netof函数和inet_lnaof函数，我们就可以把IP地址中的主机为和网络位分别提取出来，有时候我们还需要根据提取出来的主机位和网络为合并为一个新的IP地址。这个时候我们就可以使用inet_makeaddr函数。

#include <sys/socket.h>
#include <neiinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

struct in_addr inet_makeaddr(int net , int host);

函数inet_pton

该函数可以根据地址协议类型进行转换,即支持IPv6的转换.

inet_ntop函数也支持

下面是IPv4地址转换的示例:

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
	in_addr_t net;
	struct in_addr net_addr,ret;
	char buf[128];	
	memset(buf,'\0',128);
	net=inet_addr("192.168.68.128");
	net_addr.s_addr=net;
	
	printf("inet_addr(192.168.68.128)=0x%x\n",inet_addr("192.168.68.128"));
	printf("inet_network(192.168.68.128)=0x%x\n",inet_network("192.168.68.128"));
	
	printf("inet_ntoa(net)%s\n",inet_ntoa(net_addr));
	inet_aton("192.168.68.128",&ret);
	printf("test inet_aton,then inet_ntoa(ret)%s\n",inet_ntoa(ret));
}

#include<arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
	in_addr_t net;
	struct in_addr net_addr,ret;
	char buf[128];
	inet_pton(AF_INET,"192.168.68.128",&ret);	
	inet_ntop(AF_INET,&ret,buf,128);
	printf("buf=%s\n",buf);
}

Linux程序设计学习笔记----Socket网络编程基础之TCP/IP协议簇,布布扣,bubuko.com

Linux程序设计学习笔记----Socket网络编程基础之TCP/IP协议簇

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