day29-网络编程简介

一、复习

1. 共享内存

1.1 共享内存通信流程

//1、生成key值
key_t key = ftok(".", 'a');  
//2、创建共享内存
int shmid = shmget(key, 512, IPC_CREAT | 0664);
//3、内存映射
void *buf = shmat(shmid, NULL, 0);
//4、数据读写

//5、取消映射
shmdt(buf);

//6、删除共享内存
shmctl(shmid, IPC_RMID， NULL);

2. 消息队列

2.1 消息队列的执行过程

//创建消息队列
       #include <sys/types.h>
       #include <sys/ipc.h>
       #include <sys/msg.h>

       int msgget(key_t key, int msgflg);
		参数：
            key：
            	ftok得到的key值或者 IPC_PRIVATE(创建私有的消息队列)
            msgflg：
            	IPC_CREAT | 0664
		返回值：
            成功返回消息队列id，失败返回-1；
    
//发送消息
       #include <sys/types.h>
       #include <sys/ipc.h>
       #include <sys/msg.h>

       int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg); 
		参数：
            smqid：
            	创建或者打开消息队列得到的id号
            msgp：
            	是一个结构体指针，类型为struct msgbuf *， 表示为发送消息结构体的首地址
            msgsz：
            	消息正文内容的大小
            msgflg：
            	0:阻塞方式发送
                IPC_NOWAIT：以非阻塞方式发送
            
            
            struct msgbuf {
               long mtype;       /* message type, must be > 0 */
               char mtext[1];    /* message data */
           };

	 例：
         typedef struct msgbuf   //定义消息结构体
         {
             long mtype;
             char mtext[1024];
         }MSG;

         #define LEN (sizeof(MSG)-sizeof(long))  //计算消息正文内容大小

		 MSG msg;  //定义消息结构体变量
		 while(1)
         {
			msg.mtype = 100;  //封装消息类型
		 	fgets(msg.mtext, 1024, stdin);  //输入消息正文
		 	msg.mtext[strlen(msg.mtext)-1] = '\0';
         	msgsnd(id, &msg， LEN, 0);  //发送消息
         }   	
//接收消息
       ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
		参数：
            msgtyp：接收消息的类型
    
//删除消息队列
msgctl()            
    

3. 信号灯集

3.1 相关接口函数

//创建信号灯集
int semid = semget()    
//初始化信号灯集
union semun un;
un.val = 1;
semctl(semid, 0, SETVAL, un);
    
//PV操作
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0;  //操作的信号灯的编号
buf.sem_op = 1;   //设置为V操作
buf.sem_flag = IPC_NOWAIT; 
semop(semid, &buf, 1); //对信号灯集中第一个信号量进行V操作

//删除信号灯集
semctl(semid， 0, IPC_RMID);

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二、网络编程

1. 性能指标

计算机网络的性能指标是用来衡量网络的质量和效率的一些量化的标准。根据1和2，常用的性能指标有以下几种：

• 速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，单位是b/s（比特每秒）。
• 带宽：网络通信线路传送数据的能力，表示在单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”，单位也是b/s。
• 吞吐量：单位时间内通过网络的数据量，受网络的带宽或网络的额定速率的限制，单位也是b/s。
• 时延：数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，单位是s（秒）。时延由以下几个部分组成：
  • 发送时延：从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间，取决于数据长度和发送速率。
  • 传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间，取决于电磁波传播速度和链路长度。
  • 处理时延：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。
  • 排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延，取决于网络中当时的通信量。
• 时延带宽积：链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，表示该链路上可以容纳的比特数，单位是bit。
• 往返时间RTT：往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方接收到数据之后立即发送确认），总共经历的时间，只考虑信道上的传播时延。
• 利用率：利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过），分为信道利用率和网络利用率。信道利用率并非越高越好，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加

2. 网络协议模型

OSI七层协议模型(理论化的模型)

*应用层：解决通过应用进程的交互来说实现特定网络应用的问题

表示层：信息加密、解密，数据格式转换等操作

会话层：建立通信节点

*传输层：自下而上第一个提供完成端到端服务，解决进程之间基于网络的通信问题

*网络层：路由寻址(ip) ip：在网络中唯一标识一台主机，解决分组在多个网络上传输的问题

*数据链路层：将物理层接收到的数据，进行帧格式的打包，纠错处理。解决分组在一个网络上的传输问题

*物理层：屏蔽物理硬件差异，光电信号的转换。用来解决使用何种信号来传输比特的问题。

物、数、网、传、会、表、应

网络设备和OSE关系

路由器的最高功能层是网络层3
交换器的最高功能层是数据链路层2
集线器的最高功能层是物理层1

TCP/IP四层协议模型

应用层:http(超文本传输协议)、FTP（文件传输协议）、DNS（域名解析，享受无连接服务）、NFS(网络挂载协议)、SSH（远程登录协议）

传输层：TCP协议、UDP协议，数据包为TCP报文段或UDP用户数据报

网络层：IP协议，数据包为IP数据报。提供的是无连接不可靠的数据报服务。

物理与网络接口层：以太网协议、PPP(拨号协议)、令牌环网、ARP(ip->mac)、RARP（mac->ip)，TCP/IP协议并没有在这层规定东西是为了可以互联全世界各种不同的网络接口。数据包为比特流

tcp协议和udp协议
    共同点：都是传输层的通信协议
	不同点：
    	tcp：面向连接，保证数据安全、可靠、不失序的一种通信协议
    		应用场景：
    			登录相关程序、重要文件
    	udp：无连接，是一种不安全、不可靠的一种通信协议
    		应用场景：
    			流媒体软件、大型的音视频传输    

3. 网络编程预备知识

2.1 IP地址

​ IP地址在网络中唯一标识一台主机

​ IPV4：32bit 4字节数据

​ 点分十进制：”1.1.1.0”

​ 二进制：00000001 00000001 00000001 00000000

​ IPV6：128bit

​ MAC：48bit全球唯一标识

​ ARP： ip –> MAC

​ RARP: MAC –> ip

2.2 PORT端口号

​ 一个端口号对应一个进程

​ 端口号：2字节，是一个short类型的正整数

​ 端口号取值范围：0 ~ 65535

​ 0不能使用

     1~1023：系统端口，不能使用

​ 1024~5000：一般应用程序

​ 5001~65535:系统预留自定义端口

2.3 套接字 –socket

​ 进程间通信的机制之一

​ 本质：是一个特殊的文件描述符，是一个按顺序分配的最小的非负整数

2.4 三次握手和四次挥手

TCP的三次握手和四次挥手实质就是TCP通信的连接和断开。

三次握手：为了对每次发送的数据量进行跟踪与协商，确保数据段的发送和接收同步，根据所接收到的数据量而确认数据发送、接收完毕后何时撤消联系，并建立虚连接。

四次挥手：即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。

2.4.1 三次握手

TCP协议位于传输层，作用是提供可靠的字节流服务，为了准确无误地将数据送达目的地，TCP协议采纳三次握手策略。

三次握手过程

第1次握手：客户端发送一个带有SYN（synchronize）标志的数据包给服务端；

第2次握手：服务端接收成功后，回传一个带有SYN/ACK标志的数据包传递确认信息，表示我收到了；

第3次握手：客户端再回传一个带有ACK标志的数据包，表示我知道了，握手结束。

其中：SYN标志位数置1，表示建立TCP连接；ACK标志表示验证字段。

三次握手详细说明

1. 客户端发送建立TCP连接的请求报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且将报文中的SYN字段置为1，表示需要建立TCP连接。（SYN=1，seq=x，x为随机生成数值）；

2. 服务端回复客户端发送的TCP连接请求报文，其中包含seq序列号，是由回复端随机生成的，并且将SYN置为1，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发送过来的序列号seq的基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP建立请求已得到验证。（SYN=1，ACK=x+1，seq=y，y为随机生成数值）这里的ack加1可以理解为是确认和谁建立连接；

3. 客户端收到服务端发送的TCP建立验证请求后，会使自己的序列号加1表示，并且再次回复ACK验证请求，在服务端发过来的seq上加1进行回复。（SYN=1，ACK=y+1，seq=x+1）。

2.4.2 四次挥手

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

四次挥手​​​​​​​过程：

第1次挥手：客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态；

第2次挥手：服务端收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），服务端进入CLOSE_WAIT状态；

第3次挥手：服务端发送一个FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送，服务端进入LAST_ACK状态；

第4次挥手：客户端收到FIN后，客户端t进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，服务端进入CLOSED状态，完成四次挥手。

其中：FIN标志位数置1，表示断开TCP连接。

四次挥手详细说明

1. 客户端发送断开TCP连接请求的报文，其中报文中包含seq序列号，是由发送端随机生成的，并且还将报文中的FIN字段置为1，表示需要断开TCP连接。（FIN=1，seq=x，x由客户端随机生成）；

2. 服务端会回复客户端发送的TCP断开请求报文，其包含seq序列号，是由回复端随机生成的，而且会产生ACK字段，ACK字段数值是在客户端发过来的seq序列号基础上加1进行回复，以便客户端收到信息时，知晓自己的TCP断开请求已经得到验证。（FIN=1，ACK=x+1，seq=y，y由服务端随机生成）；

3. 服务端在回复完客户端的TCP断开请求后，不会马上进行TCP连接的断开，服务端会先确保断开前，所有传输到A的数据是否已经传输完毕，一旦确认传输数据完毕，就会将回复报文的FIN字段置1，并且产生随机seq序列号。（FIN=1，ACK=x+1，seq=z，z由服务端随机生成）；

4. 客户端收到服务端的TCP断开请求后，会回复服务端的断开请求，包含随机生成的seq字段和ACK字段，ACK字段会在服务端的TCP断开请求的seq基础上加1，从而完成服务端请求的验证回复。（FIN=1，ACK=z+1，seq=h，h为客户端随机生成）
   至此TCP断开的4次挥手过程完毕。

2.4.3 相关状态名词

LISTEN：等待从任何远端TCP 和端口的连接请求。
 
SYN_SENT：发送完一个连接请求后等待一个匹配的连接请求。
 
SYN_RECEIVED：发送连接请求并且接收到匹配的连接请求以后等待连接请求确认。
 
ESTABLISHED：表示一个打开的连接，接收到的数据可以被投递给用户。连接的数据传输阶段的正常状态。
 
FIN_WAIT_1：等待远端TCP 的连接终止请求，或者等待之前发送的连接终止请求的确认。
 
FIN_WAIT_2：等待远端TCP 的连接终止请求。
 
CLOSE_WAIT：等待本地用户的连接终止请求。
 
CLOSING：等待远端TCP 的连接终止请求确认。
 
LAST_ACK：等待先前发送给远端TCP 的连接终止请求的确认（包括它字节的连接终止请求的确认）
 
TIME_WAIT：等待足够的时间过去以确保远端TCP 接收到它的连接终止请求的确认。
TIME_WAIT 两个存在的理由：
          1.可靠的实现tcp全双工连接的终止；
          2.允许老的重复分节在网络中消逝。
 
CLOSED：不在连接状态（这是为方便描述假想的状态，实际不存在）

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