【计网】深入理解网络通信：端口号、Socket编程及编程接口

用户11316056

发布于 2024-11-19 10:00:07

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1.端口号

1.1.理解源 IP 地址和目的 IP 地址

IP 在网络中，用来标识主机的唯一性。

我们上网，无非就是两种动作

把远处的数据拉取到本地
把我的数据发送到远端

数据传输到主机是目的吗？不是的。因为数据是给人用的。比如：聊天是人在聊天，下载是人在下载，浏览网页是人在浏览！但是人是怎么看到聊天信息的呢？怎么执行下载任务呢？怎么浏览网页信息呢？通过启动的 qq，迅雷，浏览器。而启动的 qq，迅雷，浏览器都是进程。换句话说，进程是人在系统中的代表，只要把数据给进程，人就相当于就拿到了数据。

所以：数据传输到主机不是目的，而是手段。到达主机内部，在交给主机内的进程，才是目的。

大部分的通信行为，都是用户触发的。计算机中谁表示用户呢？进程！！！（客户端服务，服务端服务）

把数据发送到目标主机，不是目的，是手段。真正的目的，是把数据交给这个主机上的某一个服务（进程）

网络通信的本质，其实是进程在帮我们进行网络通信，无论是对于客户端，还是服务端都是如此！

但是系统中，同时会存在非常多的进程，当数据到达目标主机之后，怎么转发给目标进程？这就要在网络的背景下，在系统中，标识主机的唯一性，这就是IP的作用。

1.2.认识端口号

端口号(port)是传输层协议的内容。

端口号是一个 2 字节 16 位的整数;
端口号用来标识一个进程, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪一个进程来处理;
IP 地址 + 端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程;
一个端口号只能被一个进程占用

IP（唯一的一台主机） + port（该主机上的唯一一个进程） = 互联网中唯一的一个进程

所以我们说的从客户端到服务端，本质就是从客户端进程到服务端进程

client进程 = client IP + client port = client是互联网中唯一的一个进程

server进程 = server IP + server port = server是互联网中唯一的一个进程

这样就可以唯一的找到彼此

网络通信的本质：其实就是进程间通信！！！先看到公共资源，这份公共资源是网络！

1.3.端口号范围划分

0 - 1023: 知名端口号, HTTP, FTP, SSH 等这些广为使用的应用层协议, 他们的端口号都是固定的.
1024 - 65535: 操作系统动态分配的端口号. 客户端程序的端口号, 就是由操作系统从这个范围分配的.

1.4理解 "端口号" 和 "进程 ID"

我们之前在学习系统编程的时候, 学习了 pid 表示唯一一个进程; 此处我们的端口号也是唯一表示一个进程. 那么这两者之间是怎样的关系?

一个进程可以绑定多个端口号; 但是一个端口号不能被多个进程绑定;

OS中，每一个进程都要有pid，但并不是每一个进程都有port

进程 ID 属于系统概念，技术上也具有唯一性，确实可以用来标识唯一的一个进程，但是这样做，如果不引入端口号这个概念，直接让进程ID取代让系统进程管理和网络强耦合，实际设计的时候，并没有选择这样做。

2.socket编程

2.1.理解 socket

综上，IP 地址用来标识互联网中唯一的一台主机，port 用来标识该主机上唯一的一个网络进程
IP+Port 就能表示互联网中唯一的一个进程
所以，通信的时候，本质是两个互联网进程代表人来进行通信，{srcIp，srcPort，dstIp，dstPort}这样的 4 元组就能标识互联网中唯二的两个进程
所以，网络通信的本质，也是进程间通信
我们把 ip+port 叫做套接字 socket

2.2.socket编程的概念

Socket编程是在应用层和传输层之间进行的编程。它是传输层供给应用层的编程接口，可以视为应用层与传输层之间的桥梁。通过Socket编程，开发者可以开发出客户机和服务器应用程序，这些程序能够在本地网络上进行通信，也可以通过Internet在全球范围内进行通信。

2.3. 传输层的典型代表

如果我们了解了系统，也了解了网络协议栈，我们就会清楚，传输层是属于内核的，那么我们要通过网络协议栈进行通信，必定调用的是传输层提供的系统调用，来进行的网络通信！

认识 TCP 协议

此处我们先对 TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)有一个直观的认识;后面我们再详细讨论 TCP 的一些细节问题.

传输层协议
有连接
可靠传输
面向字节流

认识 UDP 协议

此处我们也是对 UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议)有一个直观的认识; 后面再详细讨论.

传输层协议
无连接
不可靠传输
面向数据报

因为我们暂时还没有深入了解 tcp、udp 协议，此处只做了解即可

2.3 网络字节序

在学习C语言时，了解过两种机器：大端机和小端机，这两种的储存方式是不一样的：

大端机的低地址储存数据的高位
小端机的低地址储存数据的低位

如果两台主机不是一样的！那么主机如何读取另一个数据发送过来的数据包呢？因为根本无法判断对方是大端机还是小端机，那么就不可能正常的读取数据！

所以：TCP/IP 协议规定,网络数据流应采用大端字节序,即低地址高字节.

不管这台主机是大端机还是小端机, 都会按照这个 TCP/IP 规定的网络字节序来发送/接收数据;

如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端; 否则就忽略, 直接发送即可;

接收主机把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中,也是按内存地址从低到高的顺序保存！

为使网络程序具有可移植性,使同样的 C 代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行,可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换

这些函数名很好记,h 表示 host,n 表示 network,l 表示 32 位长整数,s 表示 16 位短整数。
例如 htonl 表示将 32 位的长整数从主机字节序转换为网络字节序,例如将 IP 地址转换后准备发送。
如果主机是小端字节序,这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回;
如果主机是大端字节序,这些函数不做转换,将参数原封不动地返回

3.socket 编程接口

3.1.socket 常见 API

C
// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,
socklen_t address_len);
// 开始监听 socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,
socklen_t* address_len);
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);