0x10-網(wǎng)絡(luò)的世界

寫在最前方

• 網(wǎng)絡(luò)編程沒(méi)有想象之中的難，但是同樣一句廢話，也沒(méi)有想象之后那么容易。
• 接下來(lái)記錄的是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)編程的一些教接近底層的東西，也就是稱之為系統(tǒng)接口函數(shù)的東西，通常叫做系統(tǒng)編程，
• 當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)編程在非學(xué)院派看來(lái)，是使用一些成熟的庫(kù)(這是對(duì)于C語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，當(dāng)然很少有人愿意這么做，但個(gè)人覺(jué)得有了庫(kù)的C就和其他高級(jí)語(yǔ)言更像了)（注：C/C++都沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)庫(kù)，所以只能使用第三方開(kāi)發(fā)的庫(kù)，所謂亂世出英雄。C++在 C++17 似乎要有了。）， 例如libev這一類的。
• 最后，還是先將底層基礎(chǔ)打好為妙。

開(kāi)始首先是萬(wàn)物根源的協(xié)議信息

概念

• 最具誤導(dǎo)性的當(dāng)屬于 TCP/IP 協(xié)議了
  • 所謂 TCP/IP 協(xié)議指的并不是一個(gè)協(xié)議，往往在生活中聽(tīng)見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)如：IP地址， TCP連接 等，總會(huì)被誤導(dǎo)，以為就是一個(gè)東西
  • 實(shí)際上它們都是彼此獨(dú)立的 協(xié)議 ，只不過(guò)會(huì)相互合作罷了
  • TCP/IP說(shuō)的是一個(gè) 協(xié)議族 ，也就是說(shuō)是一堆協(xié)議的統(tǒng)稱
• 對(duì)比 OSI 和 TCP/IP 參考模型：

• 其中最常接觸的
  • 位于 網(wǎng)絡(luò)層 的 IP 協(xié)議，大家所熟知的 IP地址 就是由它進(jìn)行封裝并傳往下一層
  • 位于 傳輸層 的 TCP/UDP 兩個(gè)協(xié)議， 一個(gè)是面向連接(STREAM), 一個(gè)是面向數(shù)據(jù)(DGRAM)的，實(shí)際上還有一個(gè)但這里不記錄。
  • 查看自身 網(wǎng)絡(luò)信息的辦法
    • *nix: 在 Terminal 中輸入 ifconfig -a
    • Windows: 在 PowerShell 中輸入 ipconfig
• 概念模糊的 DNS
  • 其實(shí)很簡(jiǎn)單，它的作用就是用來(lái)找到域名所對(duì)應(yīng)的 IP地址
  • 為什么？因?yàn)?IP地址 太難記了！如果你覺(jué)得 IPv4 地址還難不倒你，那請(qǐng)你試試 IPv6
  • 怎么查看域名對(duì)應(yīng)的 IP地址，當(dāng)然先不考慮 CDN
    • *nix 和 Windows 都可以通過(guò) ping <domain name> 命令進(jìn)行查詢
• MAC地址 和 端口號(hào)
  • 對(duì)于前者，實(shí)際上應(yīng)該是最熟悉不過(guò)的，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)而言，每一臺(tái)主機(jī)就有一個(gè)專屬的 MAC地址
  • 后者則是相當(dāng)于一個(gè)房子的門，這個(gè)比喻在各大教材中廣泛引用，但也的確貼切，假設(shè) IP地址 是房子的地址，那么到了別人家要知道門在哪才行。

一個(gè)完整的應(yīng)用程序傳輸數(shù)據(jù)時(shí)候 封裝 的過(guò)程(從右二向左依次封裝)：

其中端口號(hào)實(shí)際上就是 應(yīng)用程序的信息

接收數(shù)據(jù)時(shí)的 拆解 順序與 封裝 正好相反。

• 其中在傳輸過(guò)程中，作為接收方最開(kāi)始使用的是 網(wǎng)絡(luò)接口層/數(shù)據(jù)鏈路層 的驅(qū)動(dòng)程序(即操作系統(tǒng)自帶或另行安裝，總之不用使用的程序員寫就對(duì)了)，來(lái)判斷這個(gè)包是否屬于我，判斷的依據(jù)就是 MAC地址，如果是再判斷什么協(xié)議

  • 在此處的協(xié)議可不止 IP協(xié)議， 也可能是 ARP協(xié)議 等。之后就是就事論事交給相應(yīng)的處理軟件去處理(拆解)就行
  • 科普： MAC地址是 48bit 的， 前24bit由 IEEE 分配， 后24bit 由廠商分配。原則上是唯一的。

• MAC地址 和 IP地址

  • 既然前方說(shuō)到 MAC地址 和 IP地址 都能夠作為識(shí)別另一個(gè)主機(jī)的唯一標(biāo)識(shí)，但是為什么需要有兩個(gè)相同功能的東西？
  • 是，在一開(kāi)始，網(wǎng)絡(luò)很小的情況下，例如我們?cè)谕粋€(gè)局域網(wǎng)中，我們之間需要通信的時(shí)候，只需要使用ARP協(xié)議，進(jìn)行廣播，向在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)發(fā)送消息就行，剩下的就讓其他主機(jī)去判斷(通過(guò)MAC地址)這個(gè)數(shù)據(jù)是不是發(fā)給我的。
    • ARP協(xié)議 的作用就是在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò) 廣播 找出符合自己要求的主機(jī)的 MAC地址 ，如果不在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，又想知道對(duì)方的 MAC地址， 那只能借助把每個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接在一起的 網(wǎng)關(guān) 來(lái)幫助你發(fā)送 。 總之進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)必須知道對(duì)方的 IP地址 和 MAC地址
  • 但是如果是現(xiàn)在整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)呢？不算 IPv6 ，就算 IPv4 也是幾十億的存在，如果我從中國(guó)向國(guó)外發(fā)送信息，廣播整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的所有主機(jī)，那就炸了！
  • 所以我們需要對(duì)世界網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分區(qū)，讓大區(qū)域包含小區(qū)域，就像國(guó)家-省-市區(qū)... ， 很遺憾的是 MAC地址 是跟計(jì)算機(jī)相關(guān)而不是和位置相關(guān)的。所以我們有了 IP協(xié)議
  • IP協(xié)議 所附帶的產(chǎn)品 IP地址 的作用就在幫助計(jì)算機(jī)識(shí)別自己是否在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中( 這里省略了子網(wǎng)掩碼的作用 )。
• 實(shí)際上，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的時(shí)候，以上細(xì)節(jié)幾乎都被隱藏起來(lái)，留給我們的只是可供使用的接口。

也許，許多大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，會(huì)講到 IP地址 有種類，分為 A,B,C...類，老師還介紹了各種類型的地址范圍。

但是在現(xiàn)代，這種分類早已經(jīng)失效，或者說(shuō)正在逐漸消失，因?yàn)楫?dāng)下的 IP 地址的 子網(wǎng)掩碼 可以是任意位，并以反斜杠跟在 IP地址后方。

比較現(xiàn)代的 IP地址 表示形式一般如此 1.185.223.1/24 代表著子網(wǎng)掩碼是由 24個(gè) 從左至右連續(xù)的的二進(jìn)制1 組合而成，其余位為0。稱為CIDR分類

夾在中間

事實(shí)上有一些實(shí)用且挺炫酷的函數(shù)，可以先提一下

• 域名 和 IP地址 的互查
  • gethostbyname 用于域名查找 IP信息及各類信息
    • struct hostent * gethostbyname(const char * hostname)
    • struct hostent 是存儲(chǔ)查找到的各類型信息，后方會(huì)有介紹
    • hostname 即要查詢的域名
  • gethostbyaddr 用于IP地址查找 域名及各類信息
    • struct hostent * gethostbyaddr(const char * addr, socklen_t len, int family)
      • addr 是要查詢的 IP地址，之所以是 const char * 是因?yàn)镃語(yǔ)言歷史遺留的原因，實(shí)際上其類型應(yīng)為 struct in_addr *(IPv4)
      • len 地址的長(zhǎng)度，即 IPv4 為4， IPv6 為16
      • family 即協(xié)議的種類， IPv4 為 AF_INET, IPv6 為 AF_INET6

• 其中第二和最后一個(gè)是關(guān)注的重點(diǎn)所在，可以在調(diào)用函數(shù)之后，輸出信息

  實(shí)際上，這并不是一個(gè)好的方法，在后方將記錄 現(xiàn)代人的我們 該如何做到這些事情，以上只是以前的TCP/IP 編程

只適用于 IPv4

套接字網(wǎng)絡(luò)編程初始

選擇使用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程

• 在網(wǎng)絡(luò)編程中，最常實(shí)用的兩種連接方式 TCP 和 UDP
• 最常編程的平臺(tái) POSIX 標(biāo)準(zhǔn)->*nix平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn) 和 Windows 平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)
  • 實(shí)際上，后者也是參考前者進(jìn)行一些細(xì)微的改變(指的是接口)

對(duì)比兩種不同連接方式的不同地位的創(chuàng)建，使用

如此對(duì)比雖然有一些小瑕疵，但是能夠大體上反映出真?zhèn)€網(wǎng)絡(luò)編程上不同方式的區(qū)別

注1： 對(duì)于 sendto recvfrom 這兩個(gè)接口函數(shù)，并不一定是只能用在 UDP類型的 套接字上，同樣 TCP類型的 套接字也能使用，但是這么做并沒(méi)有什么意義。

注2： 實(shí)際上 UDP 沒(méi)有所謂的 服務(wù)器和和護(hù)短，因?yàn)楸緛?lái)就是單純的互相發(fā)來(lái)發(fā)去。客戶端端口 一般是隨機(jī)的

以上是 *nix平臺(tái)下的標(biāo)準(zhǔn)， Windows下的操作方式和 API有細(xì)微不同，但大部分是一致的。

不僅僅是接口名字相同，參數(shù)個(gè)數(shù)以及功能也是一致，即使有一個(gè)例外，其參數(shù)以及使用方法也相同。

那豈不是可以直接移植了？

并不！

在 Windows 套接字編程時(shí) ， 由于 Windows 將其實(shí)現(xiàn)為動(dòng)態(tài)庫(kù)，所以在使用時(shí)需要將其加載進(jìn)程序。

故而多加了加載操作。

int WSAStartup(
  WORD      wVersionRequested,
  LPWSADATA lpWSAData  /* 這是一個(gè)結(jié)構(gòu)體， 傳入類型為WSADATA*  */
);
int WSACleanup(void);

每當(dāng)在 Windows 上進(jìn)行套接字編程時(shí)，總要指定某個(gè)版本的套接字庫(kù)：

WSADATA wsaData;
int err_code;
/*
* MAKEWORD()的作用在于將版本號(hào)轉(zhuǎn)為指定格式傳入
* 當(dāng)下(2015-10)套接字庫(kù)的版本號(hào)最高是 2.2
*/
err_code = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
/* TODO Something */
WSACleanup();

這是最基本的在 Windows 上使用 套接字 編程的流程，但是如果本平臺(tái)的套接字庫(kù)最高版本并不符合當(dāng)前要求呢？

那么首先會(huì)將套接字版本庫(kù)盡可能設(shè)置到平臺(tái)的 最高版本 ，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)體 WSADATA 進(jìn)行查詢

if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 2)
{
  printf("Could not find a usable version of Winsock.dll\n");
  WSACleanup();
  return 1;
}

總體而言， Windows平臺(tái) 和 *uix平臺(tái) 的區(qū)別在于，前者使用時(shí)需要 加載和清除 套接字庫(kù) 其余邏輯流程一致，畢竟只有統(tǒng)一才能越利于編程世界的發(fā)展。