Networks（网络)_C/C++教程

　　Linux和网络几乎是同义词。实际上Linux是Internet或WWW的产物。它的开发者和用户使用web交换信息、想法、代码而Linux自身也常用于支持一些组织的联网需求。本章描述了Linux如何支持统称为TCP/IP的网络协议。

　

TCP/IP协议设计用来支持连接在ARPANET上的计算机之间的通讯。ARPANET是美国政府投资的一个美国的研究网络。ARPANET是一些网络概念的先驱，例如报文交换和协议分层，让一种协议利用其它协议提供的服务。ARPANET于1988年退出，但是它的后继者（NSF NET和Internet）发展的甚至更大。现在所知的World Wide Web是在ARPANET中发展的，它本身也是由TCP/IP协议支持的。Unix在ARPANET上大量使用，第一个发布的网络版的Unix是4.3BSD。Linux的网络实现是基于4.3BSD的模型，它支持BSD socket（和一些扩展）和全系列的TCP/IP网络功能。选择这种编程接口是因为它的流行程度，而且可以帮助程序在Linux和其它Unix平台之间移植。

　

10.1 An Overview of TCP/IP Networking（TCP/IP网络概览）

　

本节为TCP/IP网络的主要原理给出了一个概览。这并不是一个详尽的描述。要更具体的描述，阅读第10本参考书（附录）。

　

在一个IP网络中，每一个机器都分配一个IP地址，这是一个32位的数字，唯一标识这一台机器。WWW是一个非常巨大、不断增长的IP网络，每一个连接在上面的机器都分配了一个独一无二的IP地址。IP地址用点分隔的四个数字表示，例如，16.42.0.9。IP地址实际上分为两个部分：网络地址和主机地址。这些地址的大小（尺寸）可能不同（有几类IP地址），以16.42.0.9为例，网络地址是16.42，主机地址是0.9。主机地址可以进一步划分成为子网（subnetwork）和主机地址。再次以16.42.0.9为例，子网地址可以是16.42.0，主机地址为16.42.0.9。对于IP地址进行进一步划分答应各个组织划分它们自己的网络。例如，假设16.42是ACME计算机公司的网络地址，16.42.0可以是子网0，16.42.1可以是子网1。这些子网可以在分离的大楼里，也许通过电话专线或者甚至通过微波连接。IP地址由网络治理员分配，使用IP子网是分散网络治理任务的一个好办法。IP子网的治理员可以自由地分配他们自己子网内的IP地址。

　

但是，通常IP地址难于记忆，而名字更轻易记忆。Linux.acme.com比16.42.0.9更好记。必须使用一种机制把网络名字转换为IP地址。这些名字可以静态地存在/etc/hosts文件中或者让Linux询问一个分布式命名服务器（Distributed Name Server DNS）来解析名字。这种情况下，本地主机必须知道一个或多个DNS服务器的IP地址，在/etc/resolv.conf中指定。

　

不管什么时候你连接另外一台机器的时候，比如读取一个web page，都要使用它的IP地址和那台机器交换数据。这种数据包括在IP报文（packet）中，每一个报文都有一个IP头（包括源和目标机器的IP地址，一个校验和和其它有用的信息。这个校验和是从IP报文的数据中得到的，可以让IP报文的接收者判定传输过程中IP报文是否损坏（可能是一个噪音很大的电话线）。应用程序传输的数据可能被分解成轻易处理的更小的报文。IP数据报文的大小依靠于连接的介质而变化：以太网报文通常大于PPP报文。目标主机必须重新装配这些数据报文，然后才能交给接收程序。假如你通过一个相当慢的串行连接访问一个包括大量图形图像的web页，你就可以用图形的方式看出数据的分解和重组。

连接在同一个IP子网的主机可以互相直接发送IP报文，而其它的IP报文必须通过一个非凡的主机（网关）发送。网关（或路由器）连接在多于一个子网上，它们会把一个子网上接收的IP报文重新发送到另一个子网。例如，假如子网16.42.1.0和16.42.0.0通过一个网关连接，那么所有从子网0发送到子网1的报文必须先发送到网关，这样才能转发。本地的主机建立一个路由表，让它可以把要转发的IP报文发送到正确的机器。对于每一个IP目标，在路由表中都有一个条目，告诉Linux要到达目标需要先把IP报文发送到那一台主机。这些路由表是动态的，而且当应用程序使用网络和网络拓扑变化的时候不断改变。

IP协议是传输层协议，被其他协议使用，携带它们的数据。传输控制协议（TCP）是一个可靠的端到端的协议，使用IP传送和接收它的报文。象IP报文有自己的头一样，TCP也有自己的头。TCP是一个面向连接的协议，两个网络应用程序通过一个虚拟的连接连接在一起，甚至它们中间可能会有许多子网、网关和路由器。TCP在两个应用程序之间可靠地传送和接收数据，并且保证不会有丢失和重复的数据。当TCP使用IP传送它的报文的时候，在IP报文中包含的数据就是TCP报文自身。每一个通讯的主机的IP层负责传送和接收IP报文。用户数据报协议（UDP）也使用IP层传送它的报文，但是不象TCP，UDP不是一个可靠的协议，它只提供数据报服务。其它协议也可以使用IP意味着当接收到IP报文，接收的IP层必须知道把这个IP报文中包含的数据交给哪一个上层协议。为此，每一个IP报文的头都有一个字节，包含一个协议标识符。当TCP请求IP层传输一个IP报文的时候IP报文的头就说明它包含一个TCP报文。接收的IP层，使用这个协议标识符来决定把接收到的数据向上传递给哪一个协议，在这种情况下，是TCP层。当应用程序通过TCP/IP通讯的时候，它们不但必须指定目标的IP地址，也要指定目标应用程序的端口（port）地址。一个端口地址唯一标识一个应用程序，标准的网络应用程序使用标准的端口地址：例如web服务器使用端口80。这些已经注册的端口地址可以在/etc/services中查到。

　

协议分层不仅仅停留在TCP、UDP和IP。IP协议本身使用许多不同的物理介质和其它IP主机传输IP报文。这些介质自己也可能增加它们自己的协议头。这样的例子有以太网层、PPP和SLIP。一个以太网答应许多主机同时连接在一个物理电缆上。每一个传送的以太帧可以被所有连接的主机看到，所以每一个以太网设备都有一个独一无二的地址。每一个传送到那个地址的以太网帧会被那个地址的主机接收，而被连接到这个网络的其它主机忽略掉。这个独一无二的地址当每一个以太网设备制造的时候内建在设备里边，通常保存在以太网卡的SROM中。以太地址由6个字节长，例如，可能是08-00-2b-00-49-4A。一些以太网地址保留用于多点广播，用这种目标地址发送的以太网帧会被网络上的所有的主机接收。因为以太网帧中可能运载许多不同的协议（作为数据），和IP报文一样，它们的头中都包含一个协议标识符。这样以太网层可以正确地接收IP报文并把数据传输到IP层。

为了通过多种连接协议，例如通过以太网来传输IP报文，IP层必须找出这个IP主机的以太网地址。这是因为IP地址只是一个寻址的概念，以太网设备自己有自己的物理地址。IP地址可以由网络治理员根据需要分配和再分配，而网络硬件则只响应具有它自己物理地址的以太网帧，或者非凡的多点广播地址（所有的机器都必须接收）。Linux使用地址解析协议（ARP）让机器把IP地址转换成真实的硬件地址例如以太网地址。为了得到一个IP地址所联系的硬件地址，一个主机会发送一个ARP请求包，包含它希望转换的IP地址，发送到一个多点广播地址，让网络上所有的点都可以收到。具有这个IP地址的目标主机用一个ARP回应来应答，这中间包括了它的物理硬件地址。APR不仅仅限制在以太网设备，它也可以解析其它物理介质的IP地址，例如FDDI。不能进行ARP的设备会有标记，这样Linux就不需要试图对它们进行ARP。也有一个相反的功能，反向ARP，或RARP，把物理地址转换到IP地址。这用于网关，回应对于代表远端网络的IP地址的ARP请求。

　

10.2 The Linux TCP/IP Networking Layers（Linux TCP/IP网络分层）

　

象网络协议一样，图10.2显示了Linux对于internet 协议地址族的实现就似乎一系列连接的软件层。BSD socket由只和BSD socket相关的通用的socket治理软件来支持。支持这些的是INET socket层，它治理以IP为基础的协议TCP和UDP的通讯端点。UDP是一个无连接的协议，而TCP是一个可靠的端到端的协议。当传送UDP报文的时候，Linux不知道也不关心它们是否安全到达目的地。TCP报文进行了编号，TCP连接的每一端都要确保传送的数据正确地接收到。IP层包括了网际协议（Internet Protocol）的代码实现。这种代码在传送的数据前增加IP头，而且知道如何把进来的IP报文转送到TCP或者UDP层。在IP层之下，支持Linux联网的是网络设备，例如PPP和以太网。网络设备并非总是表现为物理设备：其中一些比如loopback设备只是纯粹的软件设备。不象标准的Linux设备用mknod命令创建，网络设备只有在底层的软件找到并且初始化它们之后才出现。你只有在建立俄一个包含恰当的以太望设备驱动程序的核心之后你才能看到设备文件/dev/eth0。ARP协议位于IP层和支持ARP的协议之间。

　

　

　

10.3 The BSD Socket Interface（BSD socket 接口）

　

这是一个通用的接口，不仅仅支持多种形式的联网，也是一种进程间通讯机制。一个socket描述了通讯连接的一端，两个通讯进程每一个都会有一个socket，描述它们之间通讯连接的自己部分。Socket可以想象成一种非凡形式的管道，但是和管道不同，socket对于可以容纳的数据量没有限制。Linux支持几种类型的socket，这些类叫做address families（地址族）。这是因为每一类都有自己通讯寻址方式。Linux支持以下socket address families或domain：

UNIX Unix domain sockets,

INET