# 一、网络程序设计技术

# 1. 网络程序设计基本概念

# 1. 1 网络体系结构

# 三种结构模型比较

# 2.Windows Sockets

# 2.1Winsock2 需要的头文件

winsock2.h、ws2_32.lib、ws2_32.dll

# 2.2WinSock 初始化

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int WSAAPI WSAStartup(WORD wVersionRequested,LPWSADATA lpWSAData);
/*
*加载相应的WinSock的dll版本。在使用WinSock函数前，若没有加载WinSock库，则函数就会返回一个SOCKET_ERROR，错误信息是WSANOTINITIALISED 。
加载Winsock库是通过调用WSAStartup函数实现的。
*/
/*
*WORD wVersionRequested  [输入] 用于指定准备加载的Wi n s o c k的dll的版本，这个是调用者希望得到支持的最高的版本。高位字节指定所需要的Winsock库的副版本，而低位字节则是主版本。然后，可用宏MAKEWORD(X,Y)(其中，x 是主版本，y 是副版本)方便地获得WVersionRequested的正确值。如：winsock 2.2版本，可以用：MAKEWORD(2,2)或0x0202。
*/
/*
*lpWSAData[输出] 是指向LPWSADATA 结构的指针，目的是用于获取Winsock具体实现的更多的信息。定义如下：（在winsock2.h中定义）
*/
typedef struct WSAData {
        WORD                    wVersion;
        WORD                    wHighVersion;
        char                    szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1];
        char                    szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+1];
        unsigned short          iMaxSockets;
        unsigned short          iMaxUdpDg;
        char FAR *              lpVendorInfo;
} WSADATA, FAR * LPWSADATA;

/*
*返回值：若成功，则返回0.否则返回非零。
若程序运行结束，则在结束之前，一定要使用int WSACleanup(void);来卸载所加载的DLL库。WSACleanup()调用运行时即使有错也没有特别大的关系。

*/

# 2.3Winsock API 的错误检查与处理

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int WSAGetLastError(void);
/*
*一旦Winsock的函数表明发生了错误，则必须立即调用该函数。因为有些Winsock函数若操作成功会置最新的操作错误代码为0.
*/

# 2.4IPv4 地址的表示

IPv4 是一个 32 位的二进制数

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struct sockaddr_in
{
	short 			sin_family;//协议家族
	u_short 		sin_port;//端口号
	struct in_addr 	sin_addr;//IPv4网络地址
	char 			sin_zero[8];
}

1. sin_family
   

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   #define AF_UNIX 1 //local to host(pipes,portals) #define AF_INET 2 // internetwork: UDP, TCP, etc. #define AF_IMPLINK 3 // arpanet imp addresses #define AF_PUP 4 // pup protocols: e.g. BSP #define AF_CHAOS 5 // mit CHAOS protocols #define AF_NS 6 // XEROX NS protocols #define AF_IPX AF_NS // IPX protocols: IPX, SPX, etc. #define AF_ISO 7 // ISO protocols #define AF_OSI AF_ISO // OSI is ISO #define AF_ECMA 8 //european computermanufacturers #define AF_DATAKIT 9 // datakit protocols #define AF_CCITT 10 // CCITT protocols, X.25 etc #define AF_SNA 11 // IBM SNA #define AF_DECnet 12 // DECnet #define AF_DLI 13 // Direct data link interface #define AF_LAT 14 // LAT #define AF_HYLINK 15 // NSC Hyperchannel #define AF_APPLETALK 16 // AppleTalk #define AF_NETBIOS 17 // NetBios-style addresses #define AF_VOICEVIEW 18 // VoiceView #define AF_FIREFOX 19 // Protocols from Firefox #define AF_UNKNOWN1 20 // Somebody is using this! #define AF_BAN 21 // Banyan #define AF_ATM 22 // Native ATM Services #define AF_INET6 23 // Internetwork Version 6 #define AF_CLUSTER 24 // Microsoft Wolfpack #define AF_12844 25 // IEEE 1284.4 WG AF #define AF_MAX 26

2. sin_port 是网络字节次序的端口号
3. sin_addr 是网络字节次序的 IPv4 的 32 位地址表示
   

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   struct in_addr { union { struct{u_char s_b1,s_b2,s_b3,s_b4;}S_un_b; struct{u_short s_w1,s_w2;}S_un_w; u_long S_addr; }S_un; #define s_host S_un.S_un_b.s_b2 /* host on imp */ #define s_net S_un.S_un_b.s_b1 /* network */ #define s_imp S_un.S_un_w.s_w2 /* imp */ #define s_impno S_un.S_un_b.s_b4 /* imp # */ #define s_lh S_un.S_un_b.s_b3 /* logical host */ } //IP地址转换函数 unsigned long inet_addr(const char* cp);//功能：将“192.168.0.200”点分十进制表示法转换成32位的二进制数（IPV4）。 char* FAR inet_ntoa(struct in_addr in);//功能：将struct in_addr 所表示的32位的二进制数（IPV4）地址转换成如“192.168.0.200”这样的点分十进制表示法的IPV4地址。

# 2.5 主机字节顺序与网络字节顺序

主机字节顺序采用的方式有区别
Internet规定的网络字节顺序采用大端方式

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u_long  htonl(u_long hostlong);
u_short  htons(u_short  hostshort);
u_long  ntohl(u_long  netlong);
u_short  ntohs(u_short   netshort);
    以上4个函数中h代表host，n代表network，s代表short，l代表long。Short是16位整数，long是32位整数。前两个函数将主机字节顺序转换成网络字节顺序，而后两个函数则刚好相反。编程中，在需要使用网络字节顺序时，应该使用这几个函数来进行转换，绝对不要依赖于具体机器的表示方式。

# 2.6 其余辅助函数

1. 获取主机名:gethostname ()
   

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   /* 功能：返回本地主机的标准主机名 参数：主机名 成功返回0 使用前WSAStartup() */ int gethostname(char*name,int namelen);

2. 返回主机名对应的主机信息:gethostbyname ()
   

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   /* 返回值：若成功，则返回一个指向hostent的指针，否则返回：NULL。 注：1）必须首先使用：WSAStartup()。 2）所返回的结构的空间是在Winsock中分配的。不允许释放该结构中任何部分的指针空间。且若要一直使用，则首先在调用其它winsock函数之前，将它的内容保存到自己的变量中。 3）点分十进制表示的IP地址的串，是不能解析成功的。应先使用inet_addr()将其转换成真正IP地址（struct in_addr），然后使用gethostbyaddr()转成hostent结构。 */ struct hostent* FAR gethostbyname(const char* name); typedef struct hostent { char FAR* h_name; //主机名 char FAR FAR** h_aliases; //主机别名列表 short h_addrtype; //地址类型 short h_length; //地址长度 char FAR FAR** h_addr_list;//主机的IP地址列表 }hostnet;

3. 返回对应一个 IP 网络地址的主机的信息:gethostbyaddr ()
   

   1	struct hostent*FAR gethostbyaddr(const char* addr,int len,int type);

# 2.7 传输控制协议 (TCP)

# 2.7.1TCP 的 C/S 通信模型

* 服务端

1. 创建 Socket
2. 绑定地址
3. 监听连接请求
4. 接受请求
5. 使用 send () 和 recv () 进行通信
6. 关闭连接

客户端

1. 创建 Socket
2. 连接到服务器
3. 使用 send () 和 recv () 进行通信
4. 关闭连接

# 2.7.2 基本套接字函数

1. socket 函数
   

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   /* 功能：创建一个未绑定的socket。SOCKET定义为u_int. 参数：1）af:[输入] 指定要创建的套接字的协议簇；TCP/IP协议使用：AF_INET 2）type：[输入]要创建的套接字类型： 字节流型：SOCK_STREAM 数据报型：SOCK_DGRAM 原始SOCKET：SOCK_RAW 3）protocol：[输入]指定使用哪种协议。通常设置为0，表示使用该类型SOCKET的默认协议。对字节流型的SOCK_STREAM意味着是TCP，对数据报型的SOCK_DGRAM意味着是UDP，对原始SOCKET的SOCK_RAW则必须指明（如：ICMP或IGMP等），因为此处填写的值将直接写入IP包的包头中。 返回值：若成功则返回一个正整数，称为套接字描述符，标识这个套接字；否则，返回INVALID_SOCKET（该值不是-1） */ SOCKET WSAAPI socket(int af,int type,int protocol);

2. bind 函数
   

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   /* 功能：将本地地址和端口号与套接字绑定在一起。 参数： 1）s：[输入]要绑定的套接字描述符； 2）name:[输入]实际上是使用struct sockaddr_in的变量的地址。在其中填写地址与端口号。 3）namelen:[输入]套接字地址结构的长度。 返回值：若成功则返回0；否则返回SOCKET_ERROR（-1）。 */ int bind(SOCKET s ,const struct sockaddr* name,int namelen); //注意是使用：struct sockaddr_in myaddr; //而不是：struct sockaddr myaddr;

   
   绑定操作一般有以下方式

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1. **服务器指定套接字的公认端口号，不指定IP地址。**
 服务器调用函数bind时，如果设置套接字的IP地址为特殊的INADDR_ANY，表示它愿意接收来自任何网络设备接口的客户机连接。这是服务器最经常使用的绑定方式。发送时，源IP是默认输出端口网卡的IP。这是多网卡的服务器上常用的方式。
2. **服务器指定套接字的公认端口号和IP地址。**
服务器调用函数bind时，如果设置套接字的IP地址为某个本地IP地址，这表示服务器只接收来自对应于这个IP地址的特定网络设备接口的客户机连接。如果这台机器只有一个网络设备接口，这和第一种情况是没有区别的，但当这台机器有多个网络设备接口时，我们可以用这种方式来限制服务器的接收范围。
3. **客户机指定套接字的连接端口号，不指定地址(地址为INADDR_ANY)**
在一般情况下，客户机不用指定自己的套接字的端口号，当客户机调用函数connect进行TCP连接时，系统会自动为它选择一个未用的端口号，并且用本地的IP地址来填充套接字地址中的相应项。但在有的情况下，客户机需要使用特定端口号，如Linux系统中的rlogin命令(见RFC1282)，因为rlogin命令需要使用保留端口号，而系统不会为客户机自动分配一个保留端口号，所以需要调用函数bind来和一个未用的保留端口号绑定。
4. **指定客户机的IP地址和连接端口号。**
表示客户机使用指定的网络设备接口和端口号进行通信。
5. **指定客户机的IP地址，不指定端口号。**
 表示客户机使用指定的网络设备接口进行通信，系统自动为客户机选择一个未用的端口号（此时在：1024到5000之间自动选择一个）。一般只有在主机有多个网络设备接口时使用。
 注：在编写客户机程序时，一般不要使用固定的客户机端口号，除非是在必须使用特定端口号的特殊情况下。

3. listen 函数
   

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   /* 功能：将一个已绑定的套接字转换为倾听套接字。 参数： 1） sockfd：[输入]指定要转换的套接字描述符； 2） backlog：[输入]设置请求队列的最大长度（处于等待建立TCP全连接的请求，通常是半打开的TCP连接）。 返回值：成功则返回0；否则返回SOCKET_ERROR（-1）。 */ int listen(SOCKET sockfd,int backlog);

   
   服务器需要调用函数 listen 将套接字转换成倾听套接字，以便接收客户机请求。函数 listen 的功能有两个：
   (1) 函数 socket 创建的套接字是主动套接字，可以用它来进行主动连接 (调用函数 connect)，但是不能接收连接请求，而服务器的套接字必须能够接收客户机的请求。函数 listen 将一个尚未连接的主动套接字转换成为 — 个被动套接字：告诉 TCP 协议，这个套接字可以接收连接请求。执行函数 listen 之后，服务器的 TCP 状态由 CLOSED 状态转换成 LISTEN 状态。
   (2) TCP 协议将到达的连接请求排队，函数 listen 的第二个参数指定这个队列的最大长度。 要创建一个倾听套接字，必须首先调用函数 socket 创建一个主动套接字，然后调用函数 bind 将它与服务器套接宇地址绑定在一起，最后调用函数 listen 进行转换。这 3 步操作是所有 TCP 服务器所必须的操作。若该请求队列已满，但又有新的请求到达时，则新的请求将被拒绝。backlog 的最大值由具体实现指定。若程序员指定的值超过该值，则系统会自动选择一个最接近用户值但系统又能支持的值。

4. accept 函数

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SOCKET accept(SOCKET sockfd,struct sockaddr *addr,int *addrlen);
/* 功能：从倾听套接字的已完成连接队列中接收—个连接。
参数：
1）	sockfd：[输入]等待连接的倾听套接字描述符；
2）	addr：[输出]为指向一个Internet套接字地址结构的指针（即 struct sockaddr_in *）；用于存放远方本次连接的IP地址与端口号。若对该信息不感兴趣，则可置为：NULL。
3）	addrlen：[输入/输出]：为指向一个整型变量的指针。输入时，该指针变量所指的内容为：addr的空间长度。输出时为远方IP地址的长度。当addr为NULL时，此域为NULL。

返回值：函数accept成功执行时，返回3个结果：
函数返回值为一个新的套接字描述符，标识这个接收的连接；参数addr指向的结构变量中存储客户机地址与端口号；参数addlen指向的整型变量中存储客户机地址的长度。如果对客户机的地址和长度不感兴趣，可以将参数addr和addrlen设置为NULL。函数accept执行失败时，返回 INVALID_SOCKET（定义这~0,即非0）.

*/

4. closesocket 函数

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int closesocket(SOCKET  sockfd)；
/*功能：关闭一个已存在的套接字。释放相关的资源。
参数：sockfd：[输入]指定要关闭的套接字。
返回值：函数closesocket成功执行时，返回0；否则，返回-1（SOCKET_ERROR）。
套接字描述符的closesocket操作和文件描述符的closesocket e操作一样：函数close*/

4. connect 函数

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int connect(SOCKET sockfd，struct sockaddr *servaddr, int addrlen)；
/*功能：用于客户机向服务器发起一个连接。
参数：
1）	sockfd：[输入]客户机自己的socket套接字；
2）	servaddr：[输入]在TCP/IP下，是远程服务器的struct sockaddr_in结构的地址，在其中包含服务器的IP地址和端口号；
3）	addrlen：[输入]servaddr所指的struct sockaddr_in结构的长度。
返回值：成功则返回O；否则返回SOCKET_ERROR（-1）
*/

# 2.7.3 网络数据传输

1. send 函数

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int WSAAPI send(
    SOCKET s,
    const char FAR * buf,
    int len,
    int flags
    );
/*功能：在已建立连接的套接字上发送数据。
参数：
1）s:[输入] 已建立连接的套接字，将在这个套接字上发送数据。
2）buf：[输入] 字符缓冲区，其中包含即将发送的数据。
3）len ：[输入]指定即将发送的缓冲区内的字符数。
4）flags：[输入] 可为0 、M S G _ D O N T R O U T E 或M S G _ O O B 。另外，f l a g s 还可以是对那些标志进行按位“或运算”的一个结果。M S G _ D O N T R O U T E 标志要求传送层不要将它发出的包路由出去。由基层的传送决定是否实现这一请求（例如，若传送协议不支持该选项，这一请求就会被忽略）。M S G _ O O B 标志预示数据应该被带外发送。
返回值：返回实际发送的字节数；若发生错误，就返回S O C K E T _ E R R O R 。
*/

2. recv 函数

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int WSAAPI recv(
    SOCKET s,
    char FAR * buf,
    int len,
    int flags
    );
/*功能：在已连接套接字上接受数据。
参数：
1）	s：[输入]准备接收数据的那个套接字。
2）	b u f ：[输出]即将收到数据的字符缓冲区。
3）	l e n：[输入] 准备接收的字节数或b u f 缓冲的长度。
4）	f l a g s ：[输入]可以是下面的值：0 、M S G _ P E E K 或M S G _ O O B 。另外，还可对这些标志中的每一个进行按位和运算。当然，0 表示无特殊行为。M S G _ P E E K 会使有用的数据复制到所提供的接收端缓冲内，但是没有从系统缓冲中将它删除。
返回值：返回已接受的字节数。若socket已关闭，则返回0，若出错返回：SOCKET_ERROR。
*/

# TCP 服务器设计

S1、调用 WSAStartup（）装载 Winsock 相应版本的 DLL 库。
S2、调用 socket () 创建一个 socket。
S3、调用 bind () 绑定服务器的 IP 和 PORT。
S4、调用 listen () 变成倾听 socket。
S5、调用 accept () 等待客户机的连接。
S6、调用 send ()/recv () 按应用协议进行网络通信。
S7、调用 closesocket () 关闭相应的 socket。

# TCP 客户机设计

S1、调用 WSAStartup（）装载 Winsock 相应版本的 DLL 库。
S2、调用 socket () 创建一个 socket。
S3、调用 connect 向服务器发起一个 TCP 连接。
S6、调用 send ()/recv () 按应用协议进行网络通信。
S7、调用 closesocket () 关闭相应的 socket。

# 2.8 用户数据流协议 (UDP)

# 2.8.1UDP 建立

1.UDPSOCKET 建立

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SOCKET udps=socket(AF_INET,SOCKE_DGRAM,0);

2. UDP 数据报的发送 sendto ()

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int sendto(
  SOCKET s,
  const char* buf,
  int len,
  int flags,
  const struct sockaddr* to,
  int tolen
);
/*功能：用于发送一个UDP包。
参数：　1) s:[输入]要发送UDP包的socket。
2) buf:[输入]要发送的数据的缓冲区。
3) len:[输入]要发送的数据的字节数。
4) flags:[输入] 可为0 、M S G _ D O N T R O U T E 或M S G _ O O B 。另外，f l a g s 还可以是对那些标志进行按位“或运算”的一个结果。M S G _ D O N T R O U T E 标志要求传送层不要将它发出的包路由出去。由基层的传送决定是否实现这一请求（例如，若传送协议不支持该选项，这一请求就会被忽略）。M S G _ O O B 标志预示数据应该被带外发送。
5)to:[输入]接受方的IP地址与端口号。
6) tolen:[输入]参数to所指的数据区的大小。
*/

3. 接受 UDP 包 recvfrom ()

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int recvfrom(
  SOCKET s,
  char* buf,
  int len,
  int flags,
  struct sockaddr* from,
  int* fromlen
);
/*功能：接受一个UDP包。
参数：
1) s：[输入]准备接收UDP包的那个套接字。
2) b u f ：[输出]即将收到数据的字符缓冲区。
3) l e n：[输入] 准备接收的字节数或b u f 缓冲的长度。
4) f l a g s ：[输入]可以是下面的值：0 、M S G _ P E E K 或M S G _ O O B 。另外，还可对这些标志中的每一个进行按位和运算。当然，0 表示无特殊行为。M S G _ P E E K 会使有用的数据复制到所提供的接收端缓冲内，但是没有从系统缓冲中将它删除。
5)from:[输出]发送方的地址与端口号。
6) fromlen:[输入]from所指数据区的大小。
*/

# 2.8.2UDP 丢包

数据大小超过 64K

# 2.9MTU (最大可传输单元)

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一个数据包穿过一个大的网络，它其间会穿过多个网络，每个网络的 MTU 值是不同的。这个网络中最小的 MTU 值，被称为路径 MTU。

假设：我们的接受/发送端都是以太网，它们的 MTU 都是 1500，我们发送的时候，数据包会以 1500 来封装，然而，不幸的是，传输中有一段X.25网，它的 MTU 是 576，这会发生什么呢？

结论是显而易见的，这个数据包会被再次分片，更重要的是，这种情况下，如果 IP 包被设置了“不允许分片标志”，那会发生些什么呢？

对，数据包将被丢弃，然事收到一份ICMP不可达差错，告诉你，需要分片！

很显然，MTU 值设置得过大或过小，都会在一定程度上影响我们上网的速度。

# 2.10IP 数据包

# TCP 的使用场景：

1. 可靠性要求高： 当应用程序需要可靠的、面向连接的数据传输时，通常选择 TCP。TCP 提供数据的可靠性，确保数据按顺序到达，并处理丢失的数据包的重传。
2. 顺序性要求高： 如果应用程序需要确保数据按发送顺序到达，TCP 是更好的选择。TCP 使用序列号来确保数据包按正确的顺序传递。
3. 适用于大数据量传输： TCP 适用于需要传输大量数据的场景，因为它可以自动调整传输速率，通过拥塞控制和流量控制来保证数据的可靠传输。
4. 网页浏览、文件传输： 在需要确保数据准确传输的场景下，如网页浏览、文件传输、电子邮件等应用中，通常使用 TCP。

# UDP 的使用场景：

1. 实时性要求高： 当应用程序对实时性要求较高，可以容忍少量数据包的丢失而不进行重传时，通常选择 UDP。UDP 是一种无连接的协议，没有建立和断开连接的过程，因此具有较低的延迟。
2. 广播和多播： UDP 支持广播和多播通信，适用于向多个主机同时发送相同的数据。
3. 音视频传输： 在实时音视频通信中，如 VoIP、视频会议等，通常使用 UDP。虽然 UDP 不提供可靠性，但在实时应用中，实时性更为重要。
4. 简单的请求 - 响应通信： 当通信模式为简单的请求 - 响应模式，而且可以容忍一定的数据丢失时，UDP 是一个合适的选择。