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riba2534
137
ch03/README.md
137
ch03/README.md
@@ -12,12 +12,12 @@ IP 是 Internet Protocol（网络协议）的简写，是为收发网络数据
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为使计算机连接到网络并收发数据，必须为其分配 IP 地址。IP 地址分为两类。
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- IPV4（Internet Protocol version 4）4 字节地址族
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- IPV6（Internet Protocol version 6）16 字节地址族
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- IPv4（Internet Protocol version 4）4 字节地址族
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- IPv6（Internet Protocol version 6）16 字节地址族
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两者之间的主要差别是 IP 地址所用的字节数，目前通用的是 IPV4 , IPV6 的普及还需要时间。
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两者之间的主要差别是 IP 地址所用的字节数，目前通用的是 IPv4，IPv6 的普及还需要时间。
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IPV4 标准的 4 字节 IP 地址分为网络地址和主机（指计算机）地址，且分为 A、B、C、D、E 等类型。
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IPv4 标准的 4 字节 IP 地址分为网络地址和主机（指计算机）地址，且分为 A、B、C、D、E 等类型。
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@@ -29,7 +29,7 @@ IPV4 标准的 4 字节 IP 地址分为网络地址和主机（指计算机）
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#### 3.1.2 网络地址分类与主机地址边界
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只需通过IP地址的第一个字节即可判断网络地址占用的总字节数，因为我们根据IP地址的边界区分网络地址，如下所示：
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只需通过 IP 地址的第一个字节即可判断网络地址占用的总字节数，因为我们根据 IP 地址的边界区分网络地址，如下所示：
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- A 类地址的首字节范围为：0~127
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- B 类地址的首字节范围为：128~191
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@@ -38,28 +38,28 @@ IPV4 标准的 4 字节 IP 地址分为网络地址和主机（指计算机）
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还有如下这种表示方式：
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- A 类地址的首位以 0 开始
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- B 类地址的前2位以 10 开始
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- C 类地址的前3位以 110 开始
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- B 类地址的前 2 位以 10 开始
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- C 类地址的前 3 位以 110 开始
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因此套接字收发数据时，数据传到网络后即可轻松找到主机。
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#### 3.1.3 用于区分套接字的端口号
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IP地址用于区分计算机，只要有IP地址就能向目标主机传输数据，但是只有这些还不够，我们需要把信息传输给具体的应用程序。
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IP 地址用于区分计算机，只要有 IP 地址就能向目标主机传输数据，但是只有这些还不够，我们需要把信息传输给具体的应用程序。
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所以计算机一般有 NIC（网络接口卡）数据传输设备。通过 NIC 接收的数据内有端口号，操作系统参考端口号把信息传给相应的应用程序。
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端口号由 16 位构成，可分配的端口号范围是 0~65535 。但是 0~1023 是知名端口，一般分配给特定的应用程序，所以应当分配给此范围之外的值。
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端口号由 16 位构成，可分配的端口号范围是 0~65535。但是 0~1023 是知名端口，一般分配给特定的应用程序，所以应当分配给此范围之外的值。
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虽然端口号不能重复，但是 TCP 套接字和 UDP 套接字不会共用端口号，所以允许重复。如果某 TCP 套接字使用了 9190 端口号，其他 TCP 套接字就无法使用该端口号，但是 UDP 套接字可以使用。
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总之，数据传输目标地址同时包含IP地址和端口号，只有这样，数据才会被传输到最终的目的应用程序。
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总之，数据传输目标地址同时包含 IP 地址和端口号，只有这样，数据才会被传输到最终的目的应用程序。
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### 3.2 地址信息的表示
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应用程序中使用的IP地址和端口号以结构体的形式给出了定义。本节围绕结构体讨论目标地址的表示方法。
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应用程序中使用的 IP 地址和端口号以结构体的形式给出了定义。本节围绕结构体讨论目标地址的表示方法。
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#### 3.2.1 表示 IPV4 地址的结构体
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#### 3.2.1 表示 IPv4 地址的结构体
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结构体的定义如下
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@@ -73,20 +73,20 @@ struct sockaddr_in
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};
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```
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该结构体中提到的另一个结构体 in_addr 定义如下，它用来存放 32 位IP地址
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该结构体中提到的另一个结构体 in_addr 定义如下，它用来存放 32 位 IP 地址
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```c
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struct in_addr
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{
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in_addr_t s_addr; //32位IPV4地址
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}
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in_addr_t s_addr; //32位IPv4地址
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};
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```
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关于以上两个结构体的一些数据类型：
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| 数据类型名称 | 数据类型说明 | 声明的头文件 |
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| :----------: | :----------------------------------: | :----------: |
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| int 8_t | signed 8-bit int | sys/types.h |
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| int8_t | signed 8-bit int | sys/types.h |
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| uint8_t | unsigned 8-bit int (unsigned char) | sys/types.h |
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| int16_t | signed 16-bit int | sys/types.h |
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| uint16_t | unsigned 16-bit int (unsigned short) | sys/types.h |
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@@ -94,23 +94,23 @@ struct in_addr
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| uint32_t | unsigned 32-bit int (unsigned long) | sys/types.h |
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| sa_family_t | 地址族（address family） | sys/socket.h |
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| socklen_t | 长度（length of struct） | sys/socket.h |
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| in_addr_t | IP地址，声明为 uint_32_t | netinet/in.h |
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| in_port_t | 端口号，声明为 uint_16_t | netinet/in.h |
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| in_addr_t | IP地址，声明为 uint32_t | netinet/in.h |
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| in_port_t | 端口号，声明为 uint16_t | netinet/in.h |
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为什么要额外定义这些数据类型呢？这是考虑扩展性的结果
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为什么要额外定义这些数据类型呢？这是考虑扩展性的结果。
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#### 3.2.2 结构体 sockaddr_in 的成员分析
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- 成员 sin_family
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每种协议适用的地址族不同，比如，IPV4 使用 4 字节的地址族，IPV6 使用 16 字节的地址族。
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每种协议适用的地址族不同，比如，IPv4 使用 4 字节的地址族，IPv6 使用 16 字节的地址族。
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> 地址族
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| 地址族（Address Family） | 含义 |
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| ------------------------ | ---------------------------------- |
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| AF_INET | IPV4用的地址族 |
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| AF_INET6 | IPV6用的地址族 |
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| AF_INET | IPv4 用的地址族 |
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| AF_INET6 | IPv6 用的地址族 |
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| AF_LOCAL | 本地通信中采用的 Unix 协议的地址族 |
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AF_LOCAL 只是为了说明具有多种地址族而添加的。
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@@ -121,7 +121,7 @@ AF_LOCAL 只是为了说明具有多种地址族而添加的。
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- 成员 sin_addr
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该成员保存 32 位 IP 地址信息，且也以网络字节序保存
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该成员保存 32 位 IP 地址信息，且也以网络字节序保存。
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- 成员 sin_zero
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@@ -134,21 +134,21 @@ AF_LOCAL 只是为了说明具有多种地址族而添加的。
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error_handling("bind() error");
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```
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此处 bind 第二个参数期望得到的是 sockaddr 结构体变量的地址值，包括地址族、端口号、IP地址等。
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此处 bind 第二个参数期望得到的是 sockaddr 结构体变量的地址值，包括地址族、端口号、IP 地址等。
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```c
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struct sockaddr
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{
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sa_family_t sin_family; //地址族
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char sa_data[14]; //地址信息
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}
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||||
};
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```
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此结构体 sa_data 保存的地址信息中需要包含IP地址和端口号，剩余部分应该填充 0 ，但是这样对于包含地址的信息非常麻烦，所以出现了 sockaddr_in 结构体，然后强制转换成 sockaddr 类型，则生成符合 bind 条件的参数。
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此结构体 sa_data 保存的地址信息中需要包含 IP 地址和端口号，剩余部分应该填充 0，但是这样对于包含地址的信息非常麻烦，所以出现了 sockaddr_in 结构体，然后强制转换成 sockaddr 类型，则生成符合 bind 条件的参数。
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### 3.3 网络字节序与地址变换
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不同的 CPU 中，4 字节整数值1在内存空间保存方式是不同的。
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不同的 CPU 中，4 字节整数值 1 在内存空间保存方式是不同的。
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有些 CPU 这样保存：
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@@ -162,14 +162,14 @@ AF_LOCAL 只是为了说明具有多种地址族而添加的。
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00000001 00000000 00000000 00000000
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```
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||||
两种一种是顺序保存，一种是倒序保存 。
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两种一种是顺序保存，一种是倒序保存。
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#### 3.3.1 字节序（Order）与网络字节序
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CPU 保存数据的方式有两种，这意味着 CPU 解析数据的方式也有 2 种：
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- 大端序（Big Endian）：高位字节存放到低位地址
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- 小端序（Little Endian）：高位字节存放到高位地址
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- 小端序（Little Endian）：低位字节存放到低位地址
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@@ -195,14 +195,14 @@ unsigned long ntohl(unsigned long);
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- htons 的 h 代表主机（host）字节序。
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- htons 的 n 代表网络（network）字节序。
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- s 代表两个字节的 short 类型，因此以 s 为后缀的函数用于端口转换
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- l 代表四个字节的 long 类型，所以以 l 为后缀的函数用于 IP 地址转换
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- s 代表两个字节的 short 类型，因此以 s 为后缀的函数用于端口转换。
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- l 代表四个字节的 long 类型，所以以 l 为后缀的函数用于 IP 地址转换。
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下面的代码是示例，说明以上函数调用过程：
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[endian_conv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch03/endian_conv.c)
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```cpp
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <arpa/inet.h>
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int main(int argc, char *argv[])
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@@ -246,9 +246,9 @@ Network ordered address: 0x78563412
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#### 3.4.1 将字符串信息转换为网络字节序的整数型
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sockaddr_in 中需要的是 32 位整数型，但是我们只熟悉点分十进制表示法，那么改如何把类似于 201.211.214.36 转换为 4 字节的整数类型数据呢 ?幸运的是，有一个函数可以帮助我们完成它，该函数将字符串形式的 IP 地址转换为网络字节序形式的 32 位整数型数据。
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||||
sockaddr_in 中需要的是 32 位整数型，但是我们只熟悉点分十进制表示法，那么该如何把类似于 201.211.214.36 转换为 4 字节的整数类型数据呢？幸运的是，有一个函数可以帮助我们完成它，该函数将字符串形式的 IP 地址转换为网络字节序形式的 32 位整数型数据。
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```C
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```c
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#include <arpa/inet.h>
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in_addr_t inet_addr(const char *string);
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//成功时返回 32 位大端序整数型值，失败时返回 INADDR_NONE
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@@ -295,9 +295,9 @@ Network ordered integer addr: 0x4030201
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||||
Error occured!
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```
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||||
1个字节能表示的最大整数是255，所以代码中 addr2 是错误的IP地址。从运行结果看，inet_addr 不仅可以转换地址，还可以检测有效性。
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1 个字节能表示的最大整数是 255，所以代码中 addr2 是错误的 IP 地址。从运行结果看，inet_addr 不仅可以转换地址，还可以检测有效性。
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||||
inet_aton 函数与 inet_addr 函数在功能上完全相同，也是将字符串形式的IP地址转换成整数型的IP地址。只不过该函数用了 in_addr 结构体，且使用频率更高。
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inet_aton 函数与 inet_addr 函数在功能上完全相同，也是将字符串形式的 IP 地址转换成整数型的 IP 地址。只不过该函数用了 in_addr 结构体，且使用频率更高。
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```c
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#include <arpa/inet.h>
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@@ -341,7 +341,7 @@ void error_handling(char *message)
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编译运行：
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```c
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```shell
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gcc inet_aton.c -o aton
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./aton
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```
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@@ -354,7 +354,7 @@ Network ordered integer addr: 0x4f7ce87f
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可以看出，已经成功的把转换后的地址放进了 addr_inet.sin_addr.s_addr 中。
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还有一个函数，与 inet_aton() 正好相反，它可以把网络字节序整数型IP地址转换成我们熟悉的字符串形式，函数原型如下：
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还有一个函数，与 inet_aton() 正好相反，它可以把网络字节序整数型 IP 地址转换成我们熟悉的字符串形式，函数原型如下：
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```c
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#include <arpa/inet.h>
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@@ -362,7 +362,7 @@ char *inet_ntoa(struct in_addr adr);
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//成功时返回保存转换结果的字符串地址值，失败时返回 NULL 空指针
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```
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该函数将通过参数传入的整数型IP地址转换为字符串格式并返回。但要小心，返回值为 char 指针，返回字符串地址意味着字符串已经保存在内存空间，但是该函数未向程序员要求分配内存，而是再内部申请了内存保存了字符串。也就是说调用了该函数后要立即把信息复制到其他内存空间。因为，若再次调用 inet_ntoa 函数，则有可能覆盖之前保存的字符串信息。总之，再次调用 inet_ntoa 函数前返回的字符串地址是有效的。若需要长期保存，则应该将字符串复制到其他内存空间。
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该函数将通过参数传入的整数型 IP 地址转换为字符串格式并返回。但要小心，返回值为 char 指针，返回字符串地址意味着字符串已经保存在内存空间，但是该函数未向程序员要求分配内存，而是在内部申请了内存保存了字符串。也就是说调用了该函数后要立即把信息复制到其他内存空间。因为，若再次调用 inet_ntoa 函数，则有可能覆盖之前保存的字符串信息。总之，再次调用 inet_ntoa 函数前返回的字符串地址是有效的。若需要长期保存，则应该将字符串复制到其他内存空间。
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示例：
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@@ -400,9 +400,9 @@ gcc inet_ntoa.c -o ntoa
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./ntoa
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```
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输出:
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输出：
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```c
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```
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Dotted-Decimal notation1: 1.2.3.4
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Dotted-Decimal notation2: 1.1.1.1
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Dotted-Decimal notation3: 1.2.3.4
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@@ -414,7 +414,7 @@ Dotted-Decimal notation3: 1.2.3.4
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```c
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struct sockaddr_in addr;
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char *serv_ip = "211.217,168.13"; //声明IP地址族
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char *serv_ip = "211.217.168.13"; //声明IP地址族
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char *serv_port = "9190"; //声明端口号字符串
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memset(&addr, 0, sizeof(addr)); //结构体变量 addr 的所有成员初始化为0
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addr.sin_family = AF_INET; //制定地址族
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@@ -430,33 +430,35 @@ addr.sin_port = htons(atoi(serv_port)); //基于字符串的IP地址端口号
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> 答案仅代表本人个人观点，不一定正确
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1. **IP地址族 IPV4 与 IPV6 有什么区别？在何种背景下诞生了 IPV6?**
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1. **IP 地址族 IPv4 与 IPv6 有什么区别？在何种背景下诞生了 IPv6?**
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答：主要差别是IP地址所用的字节数，目前通用的是IPV4，目前IPV4的资源已耗尽，所以诞生了IPV6，它具有更大的地址空间。
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答：主要差别是 IP 地址所用的字节数，IPv4 使用 4 字节地址（约 43 亿个地址），IPv6 使用 16 字节地址（约 3.4×10^38 个地址）。目前通用的是 IPv4，但由于 IPv4 地址资源已近枯竭，所以诞生了 IPv6，它具有巨大的地址空间，可以满足未来互联网发展的需求。
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2. **通过 IPV4 网络 ID 、主机 ID 及路由器的关系说明公司局域网的计算机传输数据的过程**
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2. **通过 IPv4 网络 ID、主机 ID 及路由器的关系说明公司局域网的计算机传输数据的过程。**
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答：网络ID是为了区分网络而设置的一部分IP地址，假设向`www.baidu.com`公司传输数据，该公司内部构建了局域网。因为首先要向`baidu.com`传输数据，也就是说并非一开始就浏览所有四字节IP地址，首先找到网络地址，进而由`baidu.com`（构成网络的路由器）接收到数据后，传输到主机地址。比如向 203.211.712.103 传输数据，那就先找到 203.211.172 ，然后由这个网络的网关找主机号为 172 的机器传输数据。
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答：网络 ID 是为了区分网络而设置的一部分 IP 地址，主机 ID 是为了区分网络内的主机而设置的部分。假设向某公司传输数据，该公司内部构建了局域网。数据传输时首先根据网络 ID 找到目标网络（由路由器或网关接收），然后由该网络的路由器根据主机 ID 将数据转发给具体的主机。
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3. **套接字地址分为IP地址和端口号，为什么需要IP地址和端口号？或者说，通过IP地址可以区分哪些对象？通过端口号可以区分哪些对象？**
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例如向 IP 地址 203.211.172.103 传输数据，其中 203.211.172 是网络 ID，103 是主机 ID。数据首先被路由到网络 203.211.172（由该网络的网关路由器接收），然后路由器根据主机 ID 103 将数据传递给局域网内对应的主机。
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答：有了IP地址和端口号，才能把数据准确的传送到某个应用程序中。通过IP地址可以区分具体的主机，通过端口号可以区分主机上的应用程序。
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3. **套接字地址分为 IP 地址和端口号，为什么需要 IP 地址和端口号？或者说，通过 IP 地址可以区分哪些对象？通过端口号可以区分哪些对象？**
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4. **请说明IP地址的分类方法，并据此说出下面这些IP的分类。**
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答：有了 IP 地址和端口号，才能把数据准确地传送到某个应用程序中。通过 IP 地址可以区分网络中不同的主机（计算机），通过端口号可以区分同一主机上不同的应用程序（套接字）。
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- 214.121.212.102（C类）
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- 120.101.122.89（A类）
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- 129.78.102.211（B类）
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4. **请说明 IP 地址的分类方法，并据此说出下面这些 IP 的分类。**
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分类方法：A 类地址的首字节范围为：0~127、B 类地址的首字节范围为：128~191、C 类地址的首字节范围为：192~223
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- 214.121.212.102（C 类）
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- 120.101.122.89（A 类）
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- 129.78.102.211（B 类）
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||||
分类方法：A 类地址的首字节范围为：0~127、B 类地址的首字节范围为：128~191、C 类地址的首字节范围为：192~223。
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5. **计算机通过路由器和交换机连接到互联网，请说出路由器和交换机的作用。**
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答：路由器表示连接到互联网的网络 ID，用于在不同网络间转发数据。交换机用于组织一个局域网内部的主机，局域网内部的主机可以通过交换机直接通信。如果局域网内的主机想要和其他网络的主机通信，需要通过路由器转发到目的网络，接收到的其他网络发来的数据先通过路由器接收，再由路由器根据主机号转发到交换机寻找具体的主机。
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答：路由器用于连接不同的网络，负责在不同网络间转发数据包，根据 IP 地址的网络 ID 进行路由选择。交换机用于组织局域网内部的主机连接，局域网内部的主机可以通过交换机直接通信（基于 MAC 地址）。如果局域网内的主机想要和其他网络的主机通信，需要通过路由器转发到目的网络；接收到的其他网络发来的数据先由路由器接收，再由路由器转发到交换机，最终找到具体的主机。
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6. **什么是知名端口？其范围是多少？知名端口中具有代表性的 HTTP 和 FTP 的端口号各是多少？**
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答：知名端口是要把该端口分配给特定的应用程序，范围是 0~1023 ，HTTP 的端口号是 80 ，FTP 的端口号是20和21
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答：知名端口（Well-Known Ports）是保留给特定应用程序使用的端口，范围是 0~1023。HTTP 的默认端口号是 80，FTP 的默认端口号是 20（数据连接）和 21（控制连接）。
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7. **向套接字分配地址的 bind 函数原型如下：**
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@@ -467,22 +469,33 @@ addr.sin_port = htons(atoi(serv_port)); //基于字符串的IP地址端口号
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**而调用时则用：**
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```c
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bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)
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||||
bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
|
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```
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||||
**此处 serv_addr 为 sockaddr_in 结构体变量。与函数原型不同，传入的是 sockaddr_in 结构体变量，请说明原因。**
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答：因为对于详细的地址信息使用 sockaddr 类型传递特别麻烦，进而有了 sockaddr_in 类型，其中基本与前面的类型保持一致，还有 sa_sata[4] 来保存地址信息，剩余全部填 0，所以强制转换后，不影响程序运行。
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答：sockaddr 结构体的 sa_data 成员是一个 14 字节的数组，需要手动填充 IP 地址、端口号等信息，使用起来非常麻烦。因此设计了 sockaddr_in 结构体，它将地址信息分成了 sin_family、sin_port、sin_addr 等独立的成员，便于使用。由于 sockaddr_in 和 sockaddr 在内存布局上是兼容的（大小相同，前两个字段偏移一致），且 bind 函数需要的是 sockaddr 类型的指针，所以可以将 sockaddr_in 结构体变量的地址强制转换为 sockaddr* 类型传入，不影响程序的正确运行。
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8. **请解释大端序，小端序、网络字节序，并说明为何需要网络字节序。**
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8. **请解释大端序、小端序、网络字节序，并说明为何需要网络字节序。**
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答：CPU 向内存保存数据有两种方式，大端序是高位字节存放低位地址，小端序是高位字节存放高位地址，网络字节序是为了方便传输的信息统一性，统一成了大端序。
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答：
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- 大端序（Big Endian）：高位字节存放在低位地址
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- 小端序（Little Endian）：低位字节存放在低位地址
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- 网络字节序：为了在网络上统一传输数据的格式，约定使用大端序作为网络字节序
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需要网络字节序的原因：不同的 CPU 架构采用不同的字节序（如 x86 是小端序，PowerPC 是大端序），如果两台字节序不同的计算机直接传输数据，接收方会错误解析数据。因此约定网络传输统一使用大端序，发送前将主机字节序转换为网络字节序，接收后再转换回主机字节序。
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9. **大端序计算机希望把 4 字节整数型 12 传递到小端序计算机。请说出数据传输过程中发生的字节序变换过程。**
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答：0x12->0x21
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答：整数 12 的十六进制表示为 0x0000000C。
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10. **怎样表示回送地址？其含义是什么？如果向会送地址处传输数据将会发生什么情况？**
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- 在大端序计算机上，内存表示为：`00 00 00 0C`（从低地址到高地址）
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- 发送时已经是网络字节序（大端序），无需转换，直接发送 `00 00 00 0C`
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- 小端序计算机接收到 `00 00 00 0C` 后，通过 ntohl() 函数转换为小端序
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- 转换后在小端序计算机内存中为：`0C 00 00 00`（从低地址到高地址）
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答：127.0.0.1 表示回送地址，指的是计算机自身的IP地址，无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，协议软件立即返回，不进行任何网络传输。
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注意：字节序转换函数处理的是整个 4 字节整数，而非单字节。对于单字节值 12（0x0C），无论在大端序还是小端序机器上，其值都是 0x0C，不会变成 0x21。
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10. **怎样表示回送地址？其含义是什么？如果向回送地址处传输数据将会发生什么情况？**
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答：回送地址表示为 127.0.0.1（IPv4）或 ::1（IPv6），指的是计算机自身的 IP 地址，也称为本地环回地址。无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，数据不会真正发送到网络上，而是在本机协议栈内循环，协议软件立即将数据返回给本机的接收端，不进行任何网络传输。回送地址常用于本地服务测试和网络程序调试。
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