嵌入式入门Day34

网络编程 Day1

为什么要学习网络编程？
- 网络发展历史
- - APRAnet阶段
  - TCP/IP两个协议阶段
  - 网络体系结构及OSI开放系统系统互联模型
  - - 网络体系结构概念
    - OSI开放系统互联模型
TCP和UDP异同
网络基础相关的概念
- 字节序
- IP地址的转换
- IP地址
- 子网掩码
- 端口号

为什么要学习网络编程？

进程间通信方式
内核提供三种：无名管道、有名管道、信号
System V提供三种：消息队列、共享内存、信号灯集
以上通信方式，都是通过内核空间完成，在同一主机之间多个进程通信没有问题，但是，不同主机的内核空间是不同的，所以，无法做到跨主机之间多个进程之间的通信
引入第七种进程间通信：套接字通信，完成跨主机多进程之间通信方式

网络发展历史

发展阶段：

APRAnet阶段—冷战产物
TCP/IP协议阶段–只有TCP和IP两个协议
osi开放系统互联模型
TCP/IP协议族（重要）
量子通信(可能)。

APRAnet阶段

阿帕网，是Interne的最早雏形
不能互联不同类型的计算机和不同类型的操作系统
没有纠错功能。

TCP/IP两个协议阶段

在计算机网络中，要做到有条不紊的交换数据，需要遵循一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。为了进行网络中的数据交换而建立的规则、标准和约定称为网络协议
联网协议：定义如何在一个网络上传输信息的一组规则
TCP/IP协议分成了两个不同的协议：
用来检测网络传输中差错的传输控制协议TCP
专门负责对不同网络进行互联的互联网协议IP

网络体系结构及OSI开放系统系统互联模型

在这里插入图片描述

网络体系结构概念

每一层都有自己独立的功能，单每一层都不可获取
通常把功能相近的协议组织在一起放在一层，协议栈。所以每一层中其实有多个协议
分层的好处：

各层之间独立，每一层不需要知道下一层如何实现，而仅仅只需要知道该层通过层间的接口所提供的服务
稳定，灵活性好，当任何一层发生变化时，只需要层间接口关系保持不变，而这层以上或以下层不受影响
易于实现和维护（知道是什么功能，就到指定层去查找）
促进标准化工作：每一层的功能及其所提供的服务都有了精确的说明。
结构上不可分割开：各层都可以采用最合适的技术来实现

OSI开放系统互联模型

在这里插入图片描述

TCP/IP网络体系结构四层：
应用层
传输层
网络层
链路层(网络接口和物理层)

与七层模型对应的关系
在这里插入图片描述

数据帧
在这里插入图片描述

一帧数据的说明
大小为 64–1518（包含以太网的头部14字节、尾部4字节）
如果数据大于MTU（最大传输单元，linux默认是1500），需要分成多次进行传输
可以使用指令ifconfig查看MTU最大传输单元

TCP和UDP异同

共同点：同属于传输层的协议
TCP ----> 稳定

提供面向连接的，可靠的数据传输服务
传输过程中，数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复
- TCP会给每个数据包编上编号，该编号称之为序列号
- 每个序列号都需要应答包应答，如果没有应答，则会将上面的包重复发送直到正确为止
数据传输效率低，耗费资源多
数据收发是不同步的
- 为了提高效率，TCP会将多个较小，并且发送间隔短的数据包，沾成一个包发送，该现象称为沾包现象
- 该沾包算法称之为Nagle算法
TCP的使用场景：对传输质量比较高的以及传输大量数据的通信，在需要可靠通信的传输场合，一般使用TCP协议
例如：账户登录，大型文件下载的时候

UDP ----> 快速

面向无连接的，不保证数据可靠的，尽最大努力传输的协议
数据传输过程中，可能出现数据丢失、重复、失序现象
数据传输效率高，实时性高
限制每次传输的数据大小，多出部分直接忽略删除
收发是同步的，不会沾包
适用场景：发送小尺寸的，在接收到数据给出应答比较困难的情况下
例如：广播、通讯软件的音视频

TCP 3次握手，4次挥手
在这里插入图片描述

网络基础相关的概念

字节序

不同类型的CPU主机中，在处理多字节整数序列时有两种存储方式，称为主机字节序
大端存储（big_endian）:地址低位存储数据高位
小端存储（little_endiab）:地址低位存储数据低位
由于多字节整数需要跨主机通信，对于不同的主机存在大小端存储的不同，会导致，即使网络传输中数据无误，也会展现出错误信息
基于此，引入了网络字节序的概念，要求多字节整数，在网络中传输时，都转换为网络字节序，网络字节序是大端存储
无论主机字节序是大端还是小端存储，发送到网络之前先转换为网络字节序。当接收端接收消息后，再将网络字节序转换为主机字节序即可。
系统提供了主机字节序和网络字节序相互转换的函数
h：host主机
to：转换
n：net网络
l：long整型
s：short短整型

API

typedef int uint32_t
typedef short uint16_t
#include <arpa/inet.h>uint32_t htonl(uint32_t hostlong);将4字节主机字节序转为4字节网络字节序       uint16_t htons(uint16_t hostshort);将2字节主机字节序转为2字节网络字节序uint32_t ntohl(uint32_t netlong);将4字节网路字节序转为4字节主机字节序uint16_t ntohs(uint16_t netshort);将2字节的网络字节序转为2字节的主机字节序

IP地址的转换

IP地址转换位网络字节序或者网络字节序转换为IP地址

in_addr_t inet_addr(const char *cp);功能：将字符串类型的IP地址转为网络使用的ip号。char *inet_ntoa(struct in_addr in);功能：将网络使用的ip号转为字符串类型的IP地址。

IP地址

ip地址是主机在网络中的标识，每个数据包必须携带目的ip地址和原ip地址，路由器就是依照此信息进行路由选择的
也是对网络标识的二级划分
IP地址的种类（局域网和广域网的划分）
- IPV4：4字节无符号整数表示（2^32）
- LAN：局域网覆盖较小范围，传输速度快，延时低。
- WAN：广域网覆盖范围大，乃至全球范围，速度慢，延时高。
- IPV616字节无符号整数表示(2^128)
IPV4地址的划分
IP地址 = 网络号+主机号
当前阶段IP地址分为5类

子网掩码

由于对于一个网络下面的主机号还是很庞大，为了进一步划分网络，我们可以将主机号再次进行划分为两部分，分别是子网网段和主机号
此时就引入的子网掩码的概念
在引入子网掩码后，IP = 网络号 + 子网号 + 主机号
子网掩码：用于ip地址的三级划分，划分时，用户可以选择划分，也可以不划分，如果不划分，就使用默认的子网掩码
- 定义格式：与IP地址一样长的32位整数，由一串连续的1和一串连续的0组成
- 默认子网掩码：子网掩码就是某类网络的网络号全是1，主机号全是0的值。
子网掩码的使用：ip地址 & 子网掩码 ==> 子网网段