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11 网络编程 ​

本章知识图谱 ​

图表渲染中…

客户端-服务器模型 ​

服务器：

  • 长期运行。
  • 监听固定端口。
  • 等待客户端连接。
  • 为请求提供服务。

客户端：

  • 主动发起连接。
  • 向服务器发送请求。
  • 接收响应。

一个 TCP 连接由 socket pair 唯一确定：

text
(client IP, client port, server IP, server port)

网络层次概念 ​

网络由局域网、路由器、广域网、协议软件共同组成。

IP 提供跨网络主机寻址和分组传输。TCP 基于 IP，提供可靠、有序、面向连接的字节流。

程序员眼中的 Internet：

  • 主机由 IP 地址标识。
  • 服务由端口标识。
  • 域名通过 DNS 映射到 IP。
  • 进程通过 socket 通信。

IP、端口与 DNS ​

IPv4 地址常用点分十进制显示，例如 127.0.0.1。

struct in_addr 保存网络字节序 IP 地址。

端口是 16 位整数：

  • 0-1023：知名端口，通常需要权限。
  • HTTP 默认 80。
  • HTTPS 默认 443。

DNS 把域名解析为 IP 地址。程序中推荐使用 getaddrinfo，而不是旧式 gethostbyname。

TCP 的性质 ​

TCP 提供：

  • 面向连接。
  • 可靠传输。
  • 有序字节流。
  • 拥塞控制和流量控制。

重要陷阱：

  • TCP 是字节流，不保留应用层消息边界。
  • 一次 write 对方可能多次 read 才读完。
  • 多次 write 对方也可能一次 read 读到。
  • 应用层必须自己定义消息边界，例如长度字段、分隔符、HTTP Content-Length。

TCP 三次握手 ​

过程：

  1. 客户端发送 SYN。
  2. 服务器回复 SYN+ACK。
  3. 客户端回复 ACK。

为什么不是两次：

  • 双方都要确认自己的发送能力和接收能力。
  • 防止旧的重复 SYN 造成半开或错误连接。
  • 第三次 ACK 让服务器确认客户端收到了自己的 SYN+ACK。

Socket API：服务器端 ​

典型服务器流程：

c
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
listen(listenfd, LISTENQ);
while (1) {
    int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client, &len);
    handle(connfd);
    close(connfd);
}

各函数：

  • socket：创建套接字描述符。
  • bind：绑定本地 IP/端口。
  • listen：把主动套接字转为监听套接字，准备接受连接。
  • accept：阻塞等待客户端连接，返回已连接描述符。

高频填空：服务器 bind() 后调用 listen() 进入被动监听状态。

Socket API：客户端 ​

典型客户端流程：

c
int clientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
connect(clientfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
write(clientfd, request, strlen(request));
read(clientfd, buf, sizeof(buf));
close(clientfd);

connect 主动向服务器发起 TCP 连接。

监听描述符与已连接描述符 ​

监听描述符 listenfd：

  • 只用于接受连接请求。
  • 生命周期通常贯穿服务器运行。

已连接描述符 connfd：

  • 对应某个具体客户端连接。
  • 用于和该客户端读写。
  • 服务完成后关闭。

不要在处理一个客户端后关闭 listenfd。

简单 TCP 服务器片段 ​

c
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    addr.sin_port = htons(8080);

    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    listen(listenfd, 16);

    while (1) {
        int connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);
        const char msg[] = "Hello, World!";
        write(connfd, msg, sizeof(msg) - 1);
        close(connfd);
    }
}

真实代码必须检查每个系统调用返回值，并处理端口复用、并发、short count。

HTTP 基础 ​

HTTP 请求：

text
GET /index.html HTTP/1.1
Host: example.com

请求 = 请求行 + 0 个或多个请求头 + 空行 + 可选 body。

响应：

text
HTTP/1.1 200 OK
Content-Length: 13
Content-Type: text/plain

Hello, World!

响应 = 状态行 + 响应头 + 空行 + body。

静态内容与动态内容 ​

静态内容：

  • 服务器读取磁盘文件。
  • 返回文件内容。

动态内容：

  • 服务器执行程序生成响应。
  • 参数可来自 URI query string、请求 body、header。
  • CGI 风格中，服务器通过环境变量和标准输入传参，通过 stdout 接收子进程输出。

HTTP/1.0 非持久连接 vs HTTP/1.1 持久连接 ​

HTTP/1.0 非持久连接：

  • 通常一个请求/响应使用一个 TCP 连接。
  • 响应后关闭连接。
  • 多个对象需要多次建立连接。

HTTP/1.1 持久连接：

  • 默认复用同一 TCP 连接处理多个请求/响应。
  • 减少握手和慢启动开销。
  • 需要明确消息边界，例如 Content-Length 或 chunked encoding。

对代理服务器影响：

  • 必须正确解析请求和响应边界。
  • 不能简单以连接关闭作为响应结束。
  • 需要管理连接复用、超时、并发和头部转发。

NAT 扩展考点 ​

NAT 允许私有 IP 主机访问公网：

  • 修改源 IP/端口。
  • 维护内部连接到外部连接的映射表。
  • 隐藏内部网络结构。

问题：

  • 影响端到端连接。
  • 某些协议把 IP/端口写在 payload 中，NAT 难以处理。
  • IPsec 等协议可能受影响。

本章高频错因 ​

  • 认为 TCP 保留消息边界。
  • 把 bind 和 connect 混淆。
  • 服务器 bind 后忘记 listen。
  • accept 返回的是新连接 fd，不是原来的 listenfd。
  • HTTP 持久连接下用连接关闭判断 body 结束。
  • 忽略网络字节序，端口/IP 需要 htons/htonl。