Linux 网络基础（1）

本文是《Linux高级程序设计》的读书笔记，更多详细内容大家可以阅读此书

TCP/IP五层（四层）模型

TCP/IP是一个协议簇，包含：TCP、IP、UDP、ICMP等多种协议，这些协议一起称为TCP/IP，TCP/IP将网络划分为4层模型。也有奖其划分为五层模型的，但是因为物理层我们考虑的比较少，所以通常按照四层模型来理解

网络接口层：负责数据帧的发送和接收。网络接口层将帧格式的数据放在网络上，或从网络上把帧取下来

网络层：互联协议将数据包封装成IP数据包，并运行必要的路由算法，有效的找到达到目的主机最优的路径。网络层有四种互联协议：

网际协议IP：负责在主机和网络之间路径寻址和路由数据包。目前主要为IPv4地址，IPv6已经在教育网中广泛使用
地址解析协议ARP：获得同一物理网络中的主机硬件地址
网际控制协议ICMP：发送消息，并报告有关数据报的传送错误
互联组管理协议IGMP：用来实现本地多路组播路由器报告

传输层：传输协议在主机之间提供通信会话。传输协议的选择根据数据传输方式而定。主要有以下两个传输协议：

传输控制协议TCP：为应用程序提供可靠的通信连接。适用于一次传输大批数据的情况，并适用于要求得到响应的应用程序
用户数据包协议UDP：提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠确认。适合于依稀传输小量数据（一般小于520字节），可靠性则有应用层完成

应用层：应用程序通过这一层访问网络，主要包括常见的FTP、HTTP、DNS和TELNET协议

TELNET：提供远程登录服务
FTP：提供应用级的文件传输服务
SMTP：电子邮件协议
SNMP：简单网络管理协议
DNS：域名解析服务，将域名映像成IP地址协议
HTTP：超文本传输协议，Web服务器所采用的的协议

IPv4协议

在TCP/IP中，主机的MAC地址在物理上唯一的标识了一台主机；IP地址在逻辑上唯一地标识了网络中的某台主机，如果一台主机拥有多个IP地址，则在网络上有多个身份；在主机内部，传输层的端口对应唯一的应用服务。

IP地址

表示形式：主要为点分十进制表示。每个IP地址有两部分组成：网络号和主机号，对IP地址的定义如下：

struct in_addr
{
    _u32 s_addr;        //32bit地址
}；

网络ID：同一个网络上所有主机使用同一个网络号，拥有相同网络主机ID并且在物理上连接的主机之间通信不需要路由设备，即他们在一个局域网内
主机ID：确定网络中的一个工作端、服务器、路由器或者其他TCP/IP主机。对于同一个网络号来说，主机号是唯一的。每一个主机有一个逻辑IP地址确定网络号和主机号

网段划分：

分为A、B、C、D、E五种类型，可以通过IP地址的前几位来确定网络地址
如下图示：
A类地址：网络数为126，最后一个网段127作为本机回环测试，一个子网内允许的主机数太多；0.0.0.0~127.255.255.255
B类地址：网络数为16384，一个子网内能允许6万5千多个主机；128.0.0.0~191.255.255.255
C类地址：网络数为2097152，一个子网内能允许255个主机；192.0.0.0~223.255.255.255
D类地址：被用于组播通信；224.0.0.0~239.255.255.255
E类地址：仅供试验；249.0.0.0~247.255.255.255

在分配主机号和网络号时应遵循以下几条规则：

网络号不能为127。该标识号被保留作本地回路及诊断功能
不能将网络号和本机号个位均置为1。若置为1，则被认为是网内广播而不是一个主机号
各位不能均置0，否则该地被认为是本网络
对于本网络来说，主机号必须是唯一的

上述这种网段的划分，是由一定的局限性的，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快被分配完了，而A类却浪费了大量的地址，在上述的划分中，A类和B类理论上一个子网可以允许大量的主机，但是在实际中，不会存在一个子网中有这么多的情况

所以我们提出一种新的划分方案CIDR——引入一个额外的子网掩码来区分网络号和主机号

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子网掩码

我们针对A类这种网络主机太多的情况，提出一种重新管理网络地址的方法，A类主机太多，那么我们就通过划分子网来管理

子网掩码是一个32位的正整数；在子网掩码中，对应IP地址网络号的为都被置为1，所有主机号的位都被置为0

例如C类网IP地址为:192.168.0.1
对应的子网掩码为:255.255.255.0

网络地址可以通过IP地址和子网掩码做与运算得到

192.168.0.1     11000000 00001010 00001010 11000001
//进行与运算
255.255.255.0   11111111 11111111 11111111 00000000
//得到结果（网络号）
192.168.0.0     11000000 00001010 00001010 00000000

划分子网
根据需要划分的子网个数和被划分网络地址，可以确定子网掩码位数，一下是一个C类地址，它是根据需要划分的子网个数来确定子网掩码值：

点分十进制掩码	二进制子网掩码	子网个数
255.255.255.0	11111111 11111111 11111111 00000000	1
255.255.255.128	11111111 11111111 11111111 10000000	2
255.255.255.192	11111111 11111111 11111111 11000000	4
255.255.255.224	11111111 11111111 11111111 11100000	8
255.255.255.240	11111111 11111111 11111111 11110000	16
255.255.255.248	11111111 11111111 11111111 11111000	32
255.255.255.252	11111111 11111111 11111111 11111100	64

我们使用255.255.255.128将C类网络192.10.10.193分成2组子网，各个子网地址、广播地址及可使用的IP地址范围如下所示：

序号	子网地址	广播地址	可使用IP地址范围
1	192.10.10.1	192.10.10.127	192.10.10.2~192.10.10.126
2	192.10.10.128	192.10.10.255	192.10.10.129~192.10.10.254

字节顺序与大小端问题

小端模式：高地址存放高字节
大端模式：高地址存放低字节
在Linux系统下，如果要列出当前系统的字节顺序，可通过一下程序查看：

#include <stdio.h>
#include <endian.h>

int main(void)
{
    printf(" 大端：\t%d \n 小端：\t%d \n mine: \t%d \n",__BIG_ENDIAN,__LITTLE_ENDIAN,__BYTE_ORDER);
    return 0;
}

运行结果如下：
除了上述方法我们可以检测当前系统的字节顺序，还可以利用联合体来检测。联合体存放书序特点：所有成员都从低地址开始申请空间，检测代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

union word
{
    int a;
    char b;
}c;

//(小端) c.a 00 00 00 01  c.b 00
//(大端) c.a 01 00 00 00  c.b 01
int CheckCPU()
{
    c.a = 1;
    return (c.b == 1);
}

int main(void)
{
    int i;
    i=CheckCPU();
    if(i == 0)
        printf("大端\n");
    else if(i == 1)
        printf("小端\n");
    return 0;
}

这里写图片描述

字节顺序转换函数

存储主机信息时，IP地址和端口号存储位网络字节顺序，所以在赋值时需要转换
网络字节顺序为大端，所以网络编程是同一采用大端模式
下面是转换函数声明：

#include <arpa/inet.h>
//n:网络字节序
//h：主机字节序
//l、s：long、short类型
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

网络编程中，如果发送纯字符串给对方，则不用特殊处理
如果发送的是多字节数据，则必须转换为大端模式后再发送