《信息安全系统设计与实现》第十二周学习笔记

《信息安全系统设计与实现》第十二周学习笔记

第13章 TCP/IP和网络编程

TCP/IP协议

• TCP/IP协议是利用 IP 进行通信时所必须用到的协议群的统称。具体来说，IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都属于 TCP/IP 协议。他们与 TCP 或 IP 的关系紧密，是互联网必不可少的组成部分。TCP/IP 一词泛指这些协议，因此，有时也称 TCP/IP 为网际协议群。
• 互联网进行通信时，需要相应的网络协议，TCP/IP 原本就是为使用互联网而开发制定的协议族。因此，互联网的协议就是 TCP/IP，TCP/IP 就是互联网的协议。

IP主机和IP地址

• 主机是支持TCP/IP协议的计算机或设备。每个主机由一个32位的IP地址来标识。为了方便起见32位的IP地址号通常用点记法表示，例如:134.121.64.1，其中各个字节用点号分开。主机也可以用主机名来表示，如dnsleecwsuedu。实际上，应用程序通常使用主机名而不是IP地址。在这个意义上说，主机名就等同于IP地址，因为给定其中一个，我们可以通过DNS(域名系统)(RFC1341987RFC10351987)服务器找到另一个，它将IP地址转换为主机名，反之亦然。
• IP地址分为两部分，即NetworkID字段和HostID字段。发往IP地址的数据包首先被发送到具有相同networkID的路由器。路由器将通过HostID将数据包转发到网络中的特定主机。每个主机都有一个本地主机名。localhost默认IP地址为127001。本地主机的链路层是一个回送虚拟设备，它将每个数据包路由回同一个localhost。这个特性可以让我们在同一台计算机上运行TCP/IP应用程序而不需要实际连接到互联网。

IP协议

• IP协议用于在IP主机之间发送/接收数据包。IP尽最大努力运行。IP主机发送数据包，但它不能保证数据包会被发送到它们的目的地，也不能保证按顺序发送。 这意味着IP并非可靠的协议。必要时，必须在IP层的上面实现可靠性。

IP数据包格式

• IP数据包由IP头、发送方IP地址、接收方IP地址以及数据组成。每个IP数据包大小不超过64KB，IP头包含了有关数据包的信息，如数据包的总长度、使用协议等，一个IP包头的格式基本如下：
  

UDP

• UDP（用户数据报协议）在IP上运行，用于发送/接收数据报。与IP类似，UDP不能保证可靠性，但是快速高效。

TCP

• TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议，用于发送/接收数据流。TCP也可在IP 上运行，但它保证了可靠的数据传输。通常，UDP类似于发送邮件的USPS，而TCP类似于电话连接。

端口编号

• 在各主机上，多个应用程序可同时使用TCP/UDP。每个应用程序由三个组成部分唯一标识:应用程序 = （主机IP，协议，端口号）
• 下图给出了在传输层中使用TCP的一些应用程序及其默认端口号
  

网络和主机字节序

计算机可以使用大端字节序，也可以使用小端字节序。在互联网上，数据始终按照网络序排序，这是大端。

TCP/IP网络中的数据流

• TCP/IP网络中各层数据格式及数据流路径如下：
  

网络编程

• 大多数的网络编程任务都是基于服务器-客户端的模型的。在这个模型中，客户端首先从服务器主机上运行服务进程。然后在客户端主机上运行客户端。
• 服务器-客户端模型：
  在UDP中，服务器等待来自客户端的数据报，处理数据报并生成对客户机的响应。在TCP中，服务器先建立一个于=与客户端的虚拟电路（虚电路），再在服务器和客户端进行数据报传输。

套接字编程

• 在网络编程中，TCP/IP的用户界面是通过一系列C语言库函数和系统调用来实现的，这些函数和系统调用统称为套接字API。为了使用套接字API,我们需要套接字地址结构，它用于标识服务器和客户机。netdb.h和sys/socket.h中有套接字地址结构的定义。

套接字地址

struct socketddr_in {
sa_family_t sin_family;  //TCP/IP中的sin_family始终是AF_INET
in_port_t sin_port;	     //按网络字节顺序排列的端口号
struct in_addr sin_addr; //按网络字节顺序排列的主机IP地址
};
struct in_addr {
uint32_t s_addr;	     //按网络字节顺序排列的主机IP地址
}

套接字API

• 服务器需要创建一个套接字，并将其与包含服务器IP地址和端口号的套接字地址绑定。它（指服务器套接字）可以使用一个固定端口号，或是操作系统内核所选择的端口号（当sin_port为0时）。为了与服务器通信，客户端也需要一个套接字。UDP套接字可以直接绑定到服务器地址，如果一个客户端套接字没有绑定到任何特定服务器，它就必须在后续的sendto()/recvfrom()调用中提供一个包含服务器IP和端口号的套接字地址。
• socket系统调用
  1.int套接字
  格式：int (int 域，int 类型，int 协议)
  2.int bind()
  格式:int bind(int sockfd , struct sockaddr *addr , socklen_t addrlen);
  3.UDP套接字
  格式：

  ssize_t sendto(int sockfd , const void *buf , size_t len , int flags ,const
  struct sockaddr *dest_addr , socklen_t addrlen);
  
  ssize_t recvfrom(int sockfd , void *buf , size_t len , itn flags , 
  struct sockaddr *src_addr , socklen_t *addr);
  

  4.TCP套接字
  在创建套接字并将其绑定到服务器地址之后，TCP服务器使用listen()和acccpt()来接 收来自客户机的连接
  int Iistcn(int sockfd, int backlog);
  listen()将sockfd引用的套接字标记为将用于接收连入连接的套接字。backlog参数定义了等 待连接的最大队列长度。
  int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, sockien_t *addrlen);
  accept()系统调用与基于连接的套接字一起使用。它提取等待连接队列上的第一个连接请求 用于监听套接字sockfd,创建一个新的连接套接字，并返回一个引用该套接字的新文件描 述符，与客户机主机连接。在执行accept()系统调用时，TCP服务器阻塞，直到客户机通过 coimectO建立连接。
  int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen t addrlen)；
  connect()系统调用将文件描述符sockfd引用的套接字连接到addr指定的地址，addrlen参数 指定addr的大小。addr中的地址格式由套接字sockfd的地址空间决定。
  5.send（）/read（）以及recv/write（）

实践

• TCPserver.c

/**********TCPserver.c**********/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>

#define MAX  256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_PORT 1234
struct sockaddr_in server_addr;
int sock,r;

int client_init()
{
    printf("======= clinet init ==========\n"); 
    printf ("1 : create a TCP socket\n");
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if (sock<0)
    {
        printf("socket call failed\n"); exit(1);
    }
    printf("2 : fill server_addr with server's IP and P0RT#\n"); 
    server_addr.sin_family = AF_INET; 
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // localhost 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // server port number    
    printf("3 : connecting to server ....\n");
    r = connect (sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof (server_addr)); 
    if (r < 0)
    {
        printf("connect failed\n"); exit(3);
    }

    printf("4 : connected OK to\n");
    printf ("-------------------------------------------------\n");
    printf("Server hostname=%s PORT=%d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT); 
    printf ("-------------------------------------------------\n");
    printf("========= init done ==========\n");
}

int main()
{
    int n; 
    char line[MAX], ans[MAX];
    client_init();
    printf("***processing  loop *********\n");
    while (1)
    {
        printf("input a line :");
        bzero(line, MAX);
        fgets(line, MAX, stdin);
        line[strlen(line)-1] = 0;
        if (line[0]==0) 
            exit(0);
        n = write(sock,line,MAX);
        printf("client:wrote n=%d bytes;line=%s\n", n, line);
        n = read(sock,ans,MAX);
        printf("client:read n=%d bytes;line=%s\n", n, ans);
    }
}

• TCPclient.c

/**********TCPclient.c**********/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>

#define MAX  256
#define SERVER_HOST "localhost"
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 1234

struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
struct in_addr client_addr_tranform;
int  mysock, csock;
int  r, len, n;

int server_init ()
{
    printf("================== server init ======================\n"); // create a TCP socket by socket() syscall
    printf("1 : create a TCP STREAM socket\n");
    mysock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if (mysock < 0)
    {
        printf("socket call failed\n");
        exit(1);
    }
    printf("2 : fill server_addr with host IP and PORT# info\n");
    // initialize the server_addr structure
    server_addr.sin_family = AF_INET;	// for TCP/IP
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // This HOST IP 
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);	// port number 1234
    printf("3 : bind socket to server address\n");
    r = bind(mysock,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr)); 
    if (r < 0)
    {
        printf("bind failed\n"); 
        exit(3);
    }
    printf(" hostname = %s port = %d\n", SERVER_HOST, SERVER_PORT); 
    printf("4 : server is listening ....\n");
    listen(mysock, 5); // queue length = 5
    printf("=================== init done =======================\n"); 
}

int main()
{
    char line[MAX];
    server_init();
    client_addr_tranform.s_addr = client_addr.sin_addr.s_addr;
    while(1)	// Try to accept a client request
    {
        printf("server： accepting new connection ....\n");
        // Try to accept a client connection as descriptor newsock 
        len = sizeof(client_addr);
        csock = accept(mysock, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
        if (csock < 0)
        {
            printf("server： accept error\n"); exit(1);
        }
        printf("server： accepted a client connection from\n");
        printf ("-----------------------------------------\n");
        printf("Clinet: IP=%s port=%d\n", inet_ntoa(client_addr_tranform), ntohs(client_addr.sin_port));
        printf ("-----------------------------------------\n");
        while(1) 
        {
            n = read(csock, line, MAX);
            if (n==0)
            {
                printf("server: client died, server loops\n"); close(csock);
                break; 
            }
            printf("server： read n=%d bytes; line=%s\n", n, line); // echo line to client
            n = write(csock, line, MAX);
            printf("server:wrote n=%d bytes； ECHO=%s\n", n, line); 
            printf("server:ready for next request\n");
        }
    }
}

遇到的困难及解决

苏格拉底挑战

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