网络程序设计资料

1、.LuoBing D网络应用程序设计网络应用程序设计Luobing Dong2/40n计算机网络概述n网络模型n网络协议n服务方式n网络编程模式nLinux编程基础Luobing Dong3/40n计算机网络就是把分布在不同地点的多个计算机物理地连接起来，按照网络协议互相通信，以共享软件、硬件和数据资源为目标的系统。n计算机互连通常有两种方式：计算机互连通常有两种方式：l有线连接：双绞线、同轴电缆、电话线、光纤，有线连接：双绞线、同轴电缆、电话线、光纤，l无线连接：微波、红外线和毫米波、光波、地球卫无线连接：微波、红外线和毫米波、光波、地球卫星通信等。星通信等。Luobing Dong4/40

2、n计算机之间的通信是通过通信协议实现的。计算机之间的通信是通过通信协议实现的。l这是因为计算机网络中可能存在不同地区、不同的网络提供商、不同种类的计算机，在其上运行的操作系统也不尽相同，它们在机器字长、信息的表示方法等多方面都存在差异，这些都会影响计算机之间的通信所以要制定一定的规则来协调差异。这些规则称为通信协议。Luobing Dong5/40l数据通信l资源共享l远程传输l集中管理l实现分布式计算l负荷均衡Luobing Dong6/40l信息服务l通信与协作服务l交易服务与电子商务l休闲娱乐服务l计算服务l分布式控制系统l计算机集成与制造系统Luobing Dong7/40n计算机网络

3、的产生和发展经历了从简单到复杂、从单机系统到多机系统的发展过程，其演变过程可分为三个阶段：l以单计算机为中心的联机系统；l计算机计算机网络；l网络体系结构标准化。Luobing Dong8/401、以单计算机为中心的联机系统 20世纪60年代以前 l用户可远地的终端（Terminal）上输入自己的程序和数据，由主机进行处理后再由通信线路将结果返回给用户终端。这种系统也称为终端计算机网络，是早期计算机网络的主要形式。 Luobing Dong9/40n缺点：l主机负荷较重，效率较低;l通信线路的利用率低;l集中控制方式，可靠性低Luobing Dong10/40n为了尽量克服以上的缺点，当时人们

4、又开发了一些提高使用效率的技术，对后来网络技术的发展具有很大的启发作用。l多点通信线路Luobing Dong11/40l终端集中器和前端处理机Luobing Dong12/402、计算机计算机网络从20世纪60年代中期到70年代中期 l第一种形式是通过通信线路将主计算机连接起来，主机既承担数据处理，又承担通信工作。Luobing Dong13/40l第二种形式是把通信从主机分离出来，设置通信控制处理机CCP（Communication Control Processor）主机间的通信通过的中继功能间接进行。由CCP组成的传输网络称通信子网。Luobing Dong14/403、网络体系结构的

5、标准化依据标准化水平可分为两个阶段： l各计算机制造厂商网络结构标准化 例如：IBM公司在SNA（System Network Architecture）、DEC公司公布了DNA（数字网络系统结构）Univac公司公布了DCA（数据通信体系结构）、Burroughs（宝来）公司公布了BNA（宝来网络体系结构）等。Luobing Dong15/40l国际网络体系结构标准化 1977年国际标准化组织（ISO）制定了“开放系统互联参考模型”（OSI）。OSI模型并没有真正流行开来，为什么呢？l糟糕的提出时间l糟糕的技术l糟糕的实现l糟糕的策略Luobing Dong16/40n层次（层次（layer

6、）n协议（协议（protocol）n 接口（接口（interface）n 体系结构（体系结构（architecture）Luobing Dong17/40n层次是人们对复杂问题处理的基本方法层次是人们对复杂问题处理的基本方法；n将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；n对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；n不同的系统分成相同的层次；不同的系统分成相同的层次；n不同系统的最低层之间存在着不同系统的最低层之间存在着“物理物理”通信；通信；n不同系统的对等层次之间存在着不同系统的对等层次之间存在着“虚拟虚

7、拟”通信；通信；n对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；n高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。的具体实现方法。 层次层次Luobing Dong18/40n接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点; ;n同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务，低层向高层通过接口提供服务; ;n只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的只要接口条件不变、低层功能不变，低层

8、功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。工作。接口接口Luobing Dong19/40n一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集议集; ;n网络协议是按层次结构来组织的；网络协议是按层次结构来组织的；n网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；构；n网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；确的定义；n体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件体系结构是抽象的，而实

9、现是指能够运行的一些硬件和软件。和软件。 网络体系结构网络体系结构Luobing Dong20/40n各层之间相互独立各层之间相互独立;n灵活性好灵活性好;n各层都可以采用最合适的技术来实现各层都可以采用最合适的技术来实现;n易于实现和维护易于实现和维护;n有利于促进标准化。有利于促进标准化。 层次结构研究方法的优点层次结构研究方法的优点Luobing Dong21/40n所谓模型化的方法，就是用功能上等价的开发系统模型代替实际开放系统。n模型化的方法按两部进行：l第一步研究开放式的系统的基本成分和涉及它们的组织及功能，构造开放系统互连的顺序式的七层模型，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络

10、层、数据链路层和物理层。l第二步在七层模型的框架内详细和精确地描述抽象开放系统的功能，构成开放系统互连的服务和协议。Luobing Dong22/40n在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是： 国际电报与电话咨询委员会 （Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT ）； 国际标准化组织 （International Standards Organization ，ISO）。nCCITT与ISO的工作领域是不同的： CCITT 主要是考虑通信标准的制定； ISO主要是考虑信息处理与网络体

11、系结构。n在OSI中 的“开放开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信；nOSI标准中，采用的是三级抽象： 体系结构（architecture）； 服务定义（service definition）； 协议说明（protocol specification）。Luobing Dong23/40n体系结构l开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务；l作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；l对网络内部结构最精炼地概括与描述。n服务定义l详细地说明了各层所提供的服务；l某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；l

12、低层的服务是通过接口向上一层提供的;l各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；l定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是具体实现的。n协议说明lOSI标准中的各种协议明确地定义了：l应该发送什么样的控制信息；l如何解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。Luobing Dong24/40nOSI开放系统互连参考模型将整个网络的通信功能划分成七个层次，每个层次完成不同的功能。这七层由低层至高层分别是：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。 n分层的主要目的 ：l将网络技术中的复杂问题尽量简单化。将网络中不同的功能由不同的层次来完成，从而令各层次间

13、相互影响的程度尽量降低。 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层传输介质传输介质传输介质主机主机CCPCCP网 络 层数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层主机主机CCPCCP网 络 层数据链路层物 理 层Luobing Dong25/40物理层：l利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管 理和释放物理连接；理和释放物理连接；l实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数 据传输服务；据传输服务；l物理层的数据传输单元是比特。物理层的数

14、据传输单元是比特。数据链路层：l在物理层提供的服务基础上，数据链路层在在物理层提供的服务基础上，数据链路层在 通信的实体间通信的实体间建立数据链路连接；建立数据链路连接；l传输以传输以“帧帧”为单位的数据包；为单位的数据包；l采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。差错的数据链路。 Luobing Dong26/40网络层：l通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；l为数据在结点之间传输创建逻辑链路；l实现拥塞控制、网络互连等功能。传输层：l向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务；l处理数据包

15、错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；l传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。会话层l负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到点传输不中断；l管理数据交换。Luobing Dong27/40表示层：l用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；l数据格式变换；l数据加密与解密；l数据压缩与恢复。应用层l为应用程序提供了网络服务;l应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;l建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。Luobing Dong28/40网 络 层数据链路层物 理 层数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会

16、 话 层传 输 层网 络 层 数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层传输介质传输介质传输介质C CC CP P网 络 层应用进程AO OS SI I环环境境应用进程B主主机机A A主主机机B BA AC CC CP PB B应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层 数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层应用进程A应用进程B比特序列帧分组报文数据单元数据单元数据数据传输介质主主机机A A主主机机B BLuobing Dong29/40n分层的优点 ：l简化了网络通信设计的复杂性。l根

17、据所完成的处理或技术上明显的不同来划分层次，每一层的功能是固定的和具体的，要求也比较明确。l由于采用了分层技术，在结构、硬件或软件方面出现了某些新技术或新方法的时候，很容易对某一层进行更新。Luobing Dong30/40n分层的原则 ：l网中各结点都具有相同的层次；l不同结点的同等层具有相同的功能；l同一结点内相邻层之间通过接口通信；l每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；l不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。Luobing Dong31/40nOSI模型的贡献：l提出层次结构4服务透明性4灵活性好4结构上可分割开4易于实现和维护4能促进标准化工作l三个概念4服务4

18、接口4协议Luobing Dong32/40n网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；n网络协议的三要素：语义、语法与时序；n语义：用于解释比特流的每一部分的意义；语义：用于解释比特流的每一部分的意义； n语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格 式，以及数据出现的顺序的意义；式，以及数据出现的顺序的意义；n时序：事件实现顺序的详细说明。时序：事件实现顺序的详细说明。Luobing Dong33/40通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信者收信者运输部门的邮件运输业务书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门路由选择运输转送邮

19、局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件通信者活动邮局服务业务邮局转送业务Luobing Dong34/40n线路交换l最早出现在电话系统中，早期的计算机网络就是采用此方式来传输数据的，数字信号经过变换成为模拟信号后才能在线路上传输。n报文交换l是一种数字化网络。当通信开始时，源机发出的一个报文被存储在交换器里，交换器根据报文的目的地址选择合适的路径发送报文，这种方式称做存储一转发方式。n分组交换l采用报文传输，但它不是以不定长的报文作为传输的基本单位，而是将一个长的报文划分为许多定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位。灵活性高且传输效率高。Luobing Dong35/40 TC

20、P/IP参考模型的发展参考模型的发展n在在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；协议研究时，并没有提出参考模型；n1974年年Kahn定义了最早的定义了最早的TCP/IP参考模型；参考模型；n20世纪世纪80年代年代Leiner、 Clark等人对等人对TCP/IP参考模型进一参考模型进一步的研究；步的研究；nTCP/IP协议一共出现了协议一共出现了6个版本，后个版本，后3个版本是版本个版本是版本4、版本、版本5与版本与版本6；n目前我们使用的是版本目前我们使用的是版本4，它的网络层，它的网络层IP协议一般记作协议一般记作IPv4 ；n版本版本6的网络层的网络层IP协议一般记作协议一般记

21、作IPv6（或或IPng, IP next generation）；）；nIPv6被称为下一代的被称为下一代的IP协议。协议。Luobing Dong36/40n开放的协议标准开放的协议标准;n独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的计算机硬件与操作系统；n独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；网，更适用于互连网中；n 统一的网络地址分配方案，使得整个统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备设备在网中都具有惟一的地址；在网中都具有惟一的地址；n标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务标准化的高层协议，可以

22、提供多种可靠的用户服务。 TCP/IP协议的特点协议的特点Luobing Dong37/40TCP/IP参考模型各层的功能参考模型各层的功能 n应用层（应用层（application layer）n传输层（传输层（transport layer）n互连层（互连层（internet layer）n主机主机-网络层（网络层（host-to-network layer） Luobing Dong38/40TCP/IP 参考模型与参考模型与 OSI 参考模型的对应关系参考模型的对应关系 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层应 用 层OSI参考模型OSI参考模型TCP/

23、IP参考模型TCP/IP参考模型传 输 层互 联 层主机网络层Luobing Dong39/40主机主机-网络层网络层n参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报数据报;n允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，如局域网的议，如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网令牌网、分组交换网的的X.25、帧中继、帧中继、ATM协议等协议等;n当一种物理网被用作传送当一种物理网被用作传送IP数据报的通道时，就数据报的通道时，就可以认为是这一层的内容可以认为是这一层的内容;n充分体现出充分体现出TCP/I

24、P协议的兼容性与适应性，它协议的兼容性与适应性，它也为也为TCP/IP的成功奠定了基础。的成功奠定了基础。 Luobing Dong40/40互连层互连层n相当相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；参考模型网络层无连接网络服务； n处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；nIP协议是无连接的、提供协议是无连接的、提供“尽力而为尽力而为”服务服务的网络层协议。的网络层协议。 Luobing Dong41/40传输层传输层n主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端实体间建立用于会话的端- -端连接；

25、端连接；n传输控制协议传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；是一种可靠的面向连接协议；n用户数据报协议用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议是一种不可靠的无连接协议。 Luobing Dong42/40应用层应用层应用层协议主要有：应用层协议主要有：n网络终端协议网络终端协议Telnet；n文件传输协议文件传输协议FTP；n简单邮件传输协议简单邮件传输协议SMTP；n域名系统域名系统DNS；n简单网络管理协议简单网络管理协议SNMP；n超文本传输协议超文本传输协议HTTP。Luobing Dong43/40n层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表层次数量与内容选择不是很好，

26、会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；插入；n寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；系统效率；n数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；被忽略了；n参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；于计算机与软件的工作方式；n严格按照层次模型编程的软件效率很低。严格按照层次模型编程的软件效率很低。Luobing Dong44/

27、40n在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其他非模型不适合于其他非TCP/IP协议族；协议族；nTCP/IP参考模型的主机参考模型的主机-网络层本身并不是实际网络层本身并不是实际的一层；的一层；n物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而TCP/IP参考模型却没有做到这点。参考模型却没有做到这点。 Luobing Dong45/40n在网络体系结构中讨论的服务可以分为通信子在网络体系结构中讨论的服务可以分为通信

28、子网对网络中数据传输所提供的服务网对网络中数据传输所提供的服务,与整个网络与整个网络系统为用户提供的服务；系统为用户提供的服务；n通信子网的服务是指通信子网对主机间数据传通信子网的服务是指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性所提供的保证机制；输的效率和可靠性所提供的保证机制；n通信服务可以分为两大类：通信服务可以分为两大类： 面向连接服务（面向连接服务（connect-oriented service）； 无连接服务（无连接服务（connectless service）。）。 Luobing Dong46/40 n面向连接服务与无连接服务对实现服务的传输面向连接服务与无连接服务对实现服务的传

29、输可靠性与协议复杂性有很大的影响；可靠性与协议复杂性有很大的影响；n根据主机间数据传输的可靠性要求和效率的不根据主机间数据传输的可靠性要求和效率的不同，设计者可以选择面向连接服务与无连接服同，设计者可以选择面向连接服务与无连接服务的类型；务的类型；n在网络数据传输的各层，如物理层、数据链路在网络数据传输的各层，如物理层、数据链路层、网络层与传输层都会涉及面向连接服务与层、网络层与传输层都会涉及面向连接服务与无连接服务的问题。无连接服务的问题。Luobing Dong47/40n面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；立、

30、连接维护与释放连接的三个过程；n面向连接服务的在数据传输过程中，各分组可面向连接服务的在数据传输过程中，各分组可以不携带目的结点的地址；以不携带目的结点的地址；n面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；数据；n面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。Luobing Dong48/40n无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点无连接服务的每个分组都携带完整的目

31、的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；地址，各分组在系统中是独立传送的；n无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；建立、连接维护与释放连接的三个过程；n数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；组可能出现乱序、重复与丢失的现象；n无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。，通信效率较高。Luobing Dong49/40 n网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制网络数据传输的可靠性一般通过

32、确认和重传机制保证；保证；n确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组后，要求向发送结点发回接收分组的确认个分组后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；信息；n在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；发送结点重新发送该数据分组；n确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，

33、并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。Luobing Dong50/40通信协议四种类型：通信协议四种类型：n面向连接与确认服务；面向连接与确认服务；n面向连接与不确认服务；面向连接与不确认服务；n无连接与确认服务；无连接与确认服务；n无连接与不确认服务。无连接与不确认服务。设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。的服务类型。 Luobing Dong51/40nC/S模型l网络应用的标准模型是C/S模型lC/S模型是非对称模型 服务器客户端客户端响应请求响应请求Luobing Dong5

34、2/40n网络程序的执行过程l服务程序启动l客户程序启动l客户端与服务器建立连接l客户端发送请求l服务器处理请求，返回响应l服务器断开连接，等待下一个请求客户端和服务器的启动顺序并不固定，通常情况下服务程序一直处于运行状态面向连接的方式循环服务器模型Luobing Dong53/40n服务器模型l循环服务器4任一时刻只处理一个客户机请求,处理请求过程中下一请求等待 4节省服务器资源,响应时间长,适合处理非耗时请求 l并发服务器4并发执行,每收到一个连接请求创建一个进程处理该连接,服务器继续等待下一连接 4响应速度快,占用系统资源多 Luobing Dong54/40建立连接发送请求返回响应创建

35、网络端点（socket）连接客户端（connect）客户端发送请求（write）客户端接收响应（read）客 户 端创建网络端点（ socket）绑定服务器地址和端口（bind）监听端口（listen）接受客户端连接（accept）接收客户端请求（read）回送响应（write）服 务 器Luobing Dong55/40n简单C/S模型程序示例lclient.clserver.cLuobing Dong56/40n程序设计步骤l编辑源程序l编译源程序l调试n源程序编辑lvi(vim)l使用GUI文本编辑器geditLuobing Dong57/40n编译源程序（单个源文件编译）l编译器4gccGNU C/C+编译器l编译源程序4gcc c hello.c（单个源文件可以跳过这一步） l生成可执行文件4gcc hello.c o hello Luobing Dong58/40n编译源程序（多个源文件编译）l编译源程