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网络编程与HTTP协议

news 来源：原创 2024/5/10 3:07:34

目录

    • 一、计算机网络基础
      • 1. 网络
      • 2. 网络分层模型
    • 二、Socket网络编程
      • 1. TCP编程流程
      • 2. TCP协议特点
      • 2. 多进程、多线程处理并发
      • 3. UDP编程流程
    • 三、HTTP协议与Web服务器
      • 1. 浏览器与服务器通信过程
      • 2. HTTP请求报文头
      • 3. HTTP应答报文头
      • 4. HTTP的应答状态
      • 5. Web服务器的C语言实现

一、计算机网络基础

1. 网络

  • 网络：由若干结点和连接这些结点的链路组成，网络中的结点可以是计算机，交换机、路由器等设备。
    网络设备有：交换机、路由器、集线器
    传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤

  • 互联网：把多个网络连接起来就构成了互联网。目前最大的互联网就是我们常说的因特网。

  • IP地址
    IP 地址就是给因特网上的每一个主机（或路由器）的每一个接口分配的一个在全世界范围内唯一的标识符。IP 地址因其特殊的结构使我们可以在因特网上很方便地进行寻址。
    IP 地址有分 IPV4 和 IPV6 两种类别格式，IPV4 是类似”A.B.C.D”的格式，它是 32 位的，用“.”分成四个段，每个段是 8 个位（值为 0-255），用 10 进制表示。IPV6 地址是 128位。
    在这里插入图片描述

  • MAC地址
    在局域网中，硬件地址又称为物理地址或者 MAC 地址，长度 48 位，是固化在计算机适配器的 ROM 中的地址。

    MAC和IP都可唯一标识一台主机，为什么有了MAC还需要IP呢？
    （1）IP便于寻址；
    （2）IP可表示在网络中地变化，而MAC不能。比如当我们把一个笔记本从一个城市带到另一个城市时，虽然地理位置改变了，但是电脑在局域网中的“地址”仍然不变。由此可见，局域网上某个主机的“地址”根本不能告诉我们这台主机位于什么地方。所以在网络上方便寻找某个主机，还得需要IP地址来完成。

  • 端口号
    在一台主机上用来唯一标识一个应用程序（进程）。
    在这里插入图片描述

2. 网络分层模型

在这里插入图片描述
网络分层的好处：
在这里插入图片描述

二、Socket网络编程

将数据发送到网络时规定整形数据使用大端字节序，所以也把大端字节序成为网络字节序列。

1. TCP编程流程

在这里插入图片描述
listen的作用：
在这里插入图片描述
四次挥手也可以演化成三次（二三步和一起）

TCP四次挥手里，第二次和第三次挥手之间，是有可能有数据传输的。第三次挥手的目的是为了告诉主动方，“被动方没有数据要发了”。所以，在第一次挥手之后，如果被动方没有数据要发给主动方。第二和第三次挥手是有可能合并传输的。这样就出现了三次挥手。

如果有数据要发，就不能是三次挥手了吗？上面提到的是没有数据要发的情况，如果第二、第三次挥手之间有数据要发，就不可能变成三次挥手了吗？并不是。TCP中还有个特性叫延迟确认。可以简单理解为：接收方收到数据以后不需要立刻马上回复ACK确认包。在此基础上，不是每一次发送数据包都能对应收到一个 ACK 确认包，因为接收方可以合并确认。 而这个合并确认，放在四次挥手里，可以把第二次挥手、第三次挥手，以及他们之间的数据传输都合并在一起发送。因此也就出现了三次挥手。
在这里插入图片描述

TCP服务器端代码ser.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

int main()
{
  int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建监听套接字，使用ipv4和tcp协议
  assert(sockfd!=-1);
  struct sockaddr_in saddr,caddr;//套接字地址。服务器端Ip,port;客户端ip,port
  memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
  saddr.sin_family=AF_INET;
  saddr.sin_port=htons(6000);//1024以内的为知名端口，4096以内的为保留端口，大于4096的为临时端口
  saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//指定ip地址，这里用回环序列进行测试,inet_addr将字符串转成无符号整形
  int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//地址绑定,为套接字指定一个ip+port，即地址
  assert(res!=-1);
  res=listen(sockfd,5);//监听端口,5在linux系统上指的是监听已完成三次握手的监听队列的大小
  while(1)//服务器循环接收客户端连接
  {
    int len=sizeof(caddr);
    int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);//c是连接套接字，接受连接，可能阻塞
    if(c<0)
    {
      perror("accept error");
      continue;
    }
    printf("c=%d
",c);
    while(1)
    {
      char buff[128]={0};
      int n=recv(c,buff,127,0);//recv返回值为0,说明对端关闭了
      if(n<=0)
      {
        break;
      }
      printf("buff(%d)=%s",n,buff);
      send(c,"0k",2,0);
    }
    printf("one client over!
");
    close(c);//四次挥手
  }
  return 0;
}

TCP客户端代码cli.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

int main()
{
  int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
  assert(sockfd!=-1);
  //bind可绑定，但一般不绑定

  struct sockaddr_in saddr;
  memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
  saddr.sin_family=AF_INET;
  saddr.sin_port=htons(6000);
  saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");

  int res=connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//三次握手，建立连接
  assert(res!=-1);

  while(1)
  {
    char buff[128]={0};
    printf("input:
");
    fgets(buff,128,stdin);
    if(strncmp(buff,"end",3)==0)
    {
      break;
    }
    send(sockfd,buff,strlen(buff),0);
    memset(buff,0,sizeof(buff));
    recv(sockfd,buff,127,0);
    printf("buff=%s
",buff);
  }
  close(sockfd);//四次挥手

}

在这里插入图片描述

2. TCP协议特点

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述tcpdump抓包命令
使用tcpdump 可以抓包观察 TCP 连接的建立与关闭。该命令需要管理员权限，格式如下(假设两个测试用的主机 IP 地址为 192.168.43.214 和 192.168.43.160 ) ：
在这里插入图片描述

  • TCP和UDP的区别：
    TCP：面向连接、可靠的、字节流服务。使用 TCP 协议通信的双发必须先建立连接，然后才能开始数据的读写。双方都必须为该连接分配必要的内核资源，以管理连接的状态和连接上数据的传输。TCP 连接是全双工的，双方的数据可以通过一个连接进行读写。完成数据交换之后，通信双方都必须断开连接以释放系统资源。
    UDP：无连接、不可靠、数据报服务。发送端应用程序每执行一次写操作，UDP 模块就将其封装成一个 UDP 数据报发送。接收端必须及时针对每一个 UDP 数据报执行读操作，否则就会丢包。并且，如果用户没有指定足够的应用程序缓冲区来读取 UDP 数据，则 UDP 数据将被截断。

  • TCP字节流服务
    在这里插入图片描述

  • 什么是粘包？怎么解决？
    粘包可能在服务端产生也可能在客户端产生。提交数据给TCP发送时，TCP并不立刻发送此段数据，而是等待一小段时间，看看在等待期间是否还有要发送的数据，若有则会一次把这两段数据发送出去，造成粘包；另一端在接收到数据库后，放到缓冲区中，如果消息没有被及时从缓存区取走，下次在取数据的时候可能就会出现一次取出多个数据包的情况，造成粘包现象。
    在这里插入图片描述
    解决方法
    法一：发一次收一次
    在这里插入图片描述
    法二：每次先发数据的长度，再开始发数据，保证一次把这次数据收完

  • 什么是TCP断包
    使用TCP传送数据时，有可能数据过大，使得发送方缓冲区无法一次发送，造成另一端只收到的数据不完整，所以要等待数据完全接收到再解析数据。

  • TCP的状态转移图

    为什么四次挥手都完成了还要停留到TIME_WAIT状态，持续大约两个报文的时间？（TIME_WAIT状态存在的意义？）
    TIME_WAIT存在于主动关闭的一方。
    （1）可靠地终止与TCP连接
    （2）保证让迟来的TCP报文段有足够的时间被识别丢弃。

  • 拥塞控制方法
    慢启动和拥塞避免
    快速重传和快速恢复
    在这里插入图片描述

  • 为什么是三次握手，可不可以是两次为什么？
    不可以，需要三次握手才能确认双方的接收与发送能力是否正常。如客户端发出连接请求，但因连接请求报文丢失而未收到确认，于是客户端再重传一次连接请求。后来收到了确认，建立了连接。数据传输完毕后，就释放了连接，客户端共发出了两个连接请求报文段，其中第一个丢失，第二个到达了服务端，但是第一个丢失的报文段只是在某些网络结点长时间滞留了，延误到连接释放以后的某个时间才到达服务端，此时服务端误认为客户端又发出一次新的连接请求，于是就向客户端发出确认报文段，同意建立连接，不采用三次握手，只要服务端发出确认，就建立新的连接了，此时客户端忽略服务端发来的确认，也不发送数据，则服务端一致等待客户端发送数据，浪费资源。

  • 三次握手时可能出现什么攻击？
    SYN洪泛攻击：服务器端的资源分配是在二次握手时分配的，而客户端的资源是在完成三次握手时分配的，所以服务器容易受到SYN洪泛攻击。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server则回复确认包，并等待Client确认，由于源地址不存在，因此Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络拥塞甚至系统瘫痪。SYN 攻击是一种典型的 DoS/DDoS 攻击。
    解决SYN攻击的方法：缩短超时（SYN Timeout）时间、增加最大半连接数、过滤网关防护、SYN cookies技术

  • 挥手时，可能受到什么样的攻击？

  • 同一个端口可不可以被一个 TCP 和一个 UDP 的应用程序同时使用？
    可以，端口由端口号和协议名称组合而成。

  • 同一个应用程序可以创建多个套接字吗？
    一个程序可以创建多个Socket，但多个Socket是不能共用端口的。

2. 多进程、多线程处理并发

在这里插入图片描述

ser.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<signal.h>

int main()
{
  signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
  int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建监听套接字
  assert(sockfd!=-1);
  struct sockaddr_in saddr;//套接字地址。服务器端Ip，port;客户端ip,port
  memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
  saddr.sin_family=AF_INET;
  saddr.sin_port=htons(6000);//1024以内的为知名端口，4096以内的为保留端口，大于4096的为临时端口
  saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//指定ip地址，这里用回环序列进行测试,inet_addr将字符串转成无符号整形
  int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//地址绑定,为套接字指定一个ip+port，即地址
  assert(res!=-1);
  res=listen(sockfd,5);//监听端口,5在linux系统上指的是监听已完成三次握手的监听队列的大小
  while(1)//服务器循环接收客户端连接
  {
    struct sockaddr_in caddr;//存放客户端地址
    int len=sizeof(caddr);
    int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);//c是连接套接字，接受连接，可能阻塞
    if(c<0)
    {
      perror("accept error");
      continue;
    }
    pid_t pid=fork();
    if(pid==-1)
    {
      close(c);
      continue;
    }
    if(pid==0)
    {
      while(1)
      {
        char buff[128]={0};
        int n=recv(c,buff,127,0);//recv返回值为0,说明对端关闭了
        if(n<=0)
        {
          break;
        }
        printf("buff(%d)=%s",n,buff);
        send(c,"0k",2,0);
      }
      close(c);//子进程关闭
      printf("client over!
");
      exit(0);
    }
    close(c);//父进程关闭
  }
}

3. UDP编程流程

UDP 提供的是无连接、不可靠的、数据报服务.
在这里插入图片描述
udpser.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

int main()
{
    int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);//数据报服务的套接字
    assert(sockfd!=-1);

    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family=AF_INET;
    saddr.sin_port=htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");

    int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res!=-1);

    while(1)
    {
        struct sockaddr_in caddr;
        int len=sizeof(caddr);
        char buff[128]={0};

        int n=recvfrom(sockfd,buff,127,0,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
        printf("recv(%d):%s
",n,buff);

        sendto(sockfd,"ok",2,0,(struct sockaddr*)&caddr,sizeof(caddr));
    }
}

udpcli.c，客户端的地址系统随机分配

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

int main()
{
    int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    assert(sockfd!=-1);

    struct sockaddr_in saddr;//代表服务端的地址：IP port
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));

    saddr.sin_family=AF_INET;
    saddr.sin_port=htons(6000);//指定服务器的端口
    saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//指定服务器的ip
    while(1)
    {
        char buff[128]={0};
        printf("input:
");
        fgets(buff,128,stdin);

        if(strncmp(buff,"end",3)==0)
        {
            break;
        }
        sendto(sockfd,buff,strlen(buff),0,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
        memset(buff,0,128);
        int len=sizeof(saddr);
        recvfrom(sockfd,buff,127,0,(struct sockaddr*)&saddr,&len);
        printf("buff=%s
",buff);
    }
    close(sockfd);
}

在这里插入图片描述
UDP数据报服务，接收时要一次性接收完
在这里插入图片描述

三、HTTP协议与Web服务器

1. 浏览器与服务器通信过程

在浏览器中输入网址都发生了哪些事情？

  1. 先通过域名找到ip地址
  2. connect连接服务器端
  3. 发HTTP请求
  4. HTTP回应
    在这里插入图片描述

2. HTTP请求报文头

在这里插入图片描述

3. HTTP应答报文头

在这里插入图片描述

4. HTTP的应答状态

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

5. Web服务器的C语言实现

myhttp.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<assert.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<fcntl.h>

int socket_init();

char* get_filename(char buff[])
{
    if(buff==NULL)
    {
        return NULL;
    }
    char* s=strtok(buff," ");
    if(s==NULL)
    {
        return NULL;
    }
    printf("请求的方法是：%s
",s);
    s=strtok(NULL," ");
    if(s==NULL)
    {
        return NULL;
    }
    return s;
}
int main()
{
    int sockfd=socket_init();
    assert(sockfd!=-1);
    while(1)
    {
        struct sockaddr_in caddr;
        int len=sizeof(caddr);
        int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
        if(c<0)
        {
            continue;
        }
        char recv_buff[512]={0};
        recv(c,recv_buff,511,0);//接收浏览器发送过来的数据
        printf("read:
%s
",recv_buff);
        
        char* filename=get_filename(recv_buff);//获取浏览器访问的文件名字
        if(filename==NULL)
        {
            send(c,"err",3,0);
            close(c);
            continue;
        }

        char path[128]={"/home/chenfan/code"};//拼接路径
        if(strcmp(filename,"/")==0)
        {
            strcat(path,"index.html");
        }
        else
        {
            strcat(path,filename);
        }
        int fd=open(path,O_RDONLY);//打开文件
        if(fd==-1)
        {
            send(c,"404",3,0);
            close(c);
            continue;
        }
        int filesize=lseek(fd,0,SEEK_END);//文件大小
        lseek(fd,0,SEEK_SET);

        char head_buff[512]={"HTTP/1.0 200 OK
"};
        strcat(head_buff,"Server: myhttp
");
        sprintf(head_buff+strlen(head_buff),"Content-Length:%d
",filesize);
        
        strcat(head_buff,"
");

        send(c,head_buff,strlen(head_buff),0);//发送头部
        printf("send:%s
",head_buff);

        char data_buff[1024]={0};
        int num=0;
        while((num=read(fd,data_buff,1024))>0)
        {
            send(c,data_buff,1024,0);
        }
        close(c);
    }
}
int socket_init()
{
    int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sockfd==-1)
    {
        return -1;
    }
    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family=AF_INET;
    saddr.sin_port=htons(80);
    saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
    int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    if(res==-1)
    {
        return -1;
    }
    res=listen(sockfd,5);
    if(res==-1)
    {
        return -1;
    }
    return sockfd;
}

index.html

<html>
  <head>
      <meta charset=utf-8>
      <title>主页</title>
    </head>  
      <body background=1.png>
          <a href="/next.html">下一页</a><br>
          <a href="/www.baidu.com">链接百度</a>
          <center>
              <h1>送孟浩然之广陵</h1><br>
              故人西辞黄鹤楼，<br>
              烟花三月下扬州。<br>
              孤帆远影碧空尽，<br>
              唯见长江天际流。<br>
          </center>
      </body>
</html>

next.html

<html>
    <head>
        <meta charset=utf-8>
        <title>新页面</title>
    </head>
    <body background=2.png>
        <a href="/index.html">上一页</a>
    </body>
</html>

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