網(wǎng)絡(luò)編程課程

第1章網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)

?本章介紹網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)的基本概念，包括

?進(jìn)程通信的概念

?因特網(wǎng)中網(wǎng)間進(jìn)程的標(biāo)識方法

?網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的特征

?TCP/IP中用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP和傳輸

控制協(xié)議TCP的特點

?目前的網(wǎng)絡(luò)編程現(xiàn)狀

?網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的家戶/服務(wù)器交互模式

\7

1.1網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)的基本概念

?1.1.1網(wǎng)絡(luò)編程與進(jìn)程通信

?1、進(jìn)程與線程的基本概念

?進(jìn)程是處于運行過程中的程序?qū)嵗?/p>

是操作系統(tǒng)調(diào)度和分配資源的基本單位。

?一個進(jìn)程實體由程序代碼、數(shù)據(jù)和進(jìn)

程控制塊三部分構(gòu)成。

?各種計算機應(yīng)用程序在運行時，都以

乂進(jìn)程的形式存在。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序也不例夕:)

Windows系統(tǒng)不但支持多進(jìn)程，還支持多線程

當(dāng)創(chuàng)建一個進(jìn)程時，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建它的第一個線

程，稱為主線程。然后，該線程可以創(chuàng)建其他的線程,

而這些線程又能創(chuàng)建更多的線程。

?線里I一譬程?

線程?

81.1單CPU分町地運行進(jìn)程中的各個線程由線程

線程

?

MVT舁紿1平爾汕怕周艮木有絡(luò)

應(yīng)用進(jìn)程處于網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)的最上層。

從功能上，可以將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序分為兩部

分，一部分是專門負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信的模塊，它們

與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相連接，借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供的

服務(wù)完成網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)信息的交換。另一部分是

面向用戶或者作其他處理的模塊，它們接收用

戶的命令，或者對借助網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)

行加工，這兩部分模塊相互配合，來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)用程序的功能^________________________/

圖1.2網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的位置

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序最終要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的

共享，共享的基礎(chǔ)就是必須能夠通過網(wǎng)絡(luò)

輕松地傳遞各種信息。網(wǎng)絡(luò)編程首先要解

決網(wǎng)間進(jìn)程通信的問題。然后才能在通信

的基礎(chǔ)上開發(fā)各種應(yīng)用功能。

網(wǎng)間進(jìn)程通信是指網(wǎng)絡(luò)中不同主機中的應(yīng)

用進(jìn)程之間的相互通信問題，網(wǎng)間進(jìn)程通信必

須解決以下問題：

(1)網(wǎng)間進(jìn)程的標(biāo)識問題

(2)如何與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧連接的問題

(3)多重協(xié)議的識別問題

(，)不同的通信服務(wù)的問題J

1.1.2因特網(wǎng)中網(wǎng)間進(jìn)程的標(biāo)識

1.傳輸層在網(wǎng)絡(luò)通信中的地住

圖工.3說明了基于TCP/IP協(xié)議棧的進(jìn)程

之間的通信的情況。

按照OSI七層協(xié)議的描述，傳輸層與網(wǎng)絡(luò)

層在功能上的最大區(qū)別是傳輸層提供進(jìn)程通信

的能力。TCP/IP協(xié)議提出了傳輸層協(xié)議端口

（protocolport,簡稱端口）的概念，成功

地解決了通信進(jìn)程的標(biāo)識問題。

傳輸層是計算機網(wǎng)絡(luò)中，通信主機內(nèi)部進(jìn)

行獨立操作的第一層，是支持端到端的進(jìn)程通

信的關(guān)鍵的一層。

端口是TCP/IP協(xié)議族中，應(yīng)用層進(jìn)

程與傳輸層協(xié)議實體間的通信接口

類似于文件描述符，每個端口都擁

有一個叫作端口號(portnumber)的整

數(shù)型標(biāo)識符

源端口目標(biāo)端口

UDP長度UDP校驗和

源端口目標(biāo)端口

序號

確認(rèn)號

數(shù)據(jù)保留

偏移保國JI窗口

校驗和緊急指針

選項填充

圖1.4UDP與TCP的報文格式

從實現(xiàn)的角度講，端口是一種抽象的軟

機制，包括一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和I/O緩沖區(qū)。

TCP/IP協(xié)議采用)

和本地分配(動態(tài)分配)相結(jié)合的分配方法。

對于TCP,或者UDP,將它們的全部65535

個端口號分為保留端口號和自由端口號兩部分

保留端口的范圍是0—1023,又稱為眾

所周知的端口或熟知端口(well-known

port),只占少數(shù)，采用全局分配或集中控制

的方式，由一個公認(rèn)的中央機構(gòu)根據(jù)需要進(jìn)行

統(tǒng)一分配，靜態(tài)地分配給因特網(wǎng)上著名的眾所

周知的服務(wù)器進(jìn)程，并將結(jié)果公布于眾、「

表L1些典型的應(yīng)用層協(xié)議分配到的保留端

TCP的保留端口UDP的保留端口

FTP21DNS53

HIIP80iriP69

SMTP25SNMP161

POP3110....

其余的端口號，1024-65535,稱為自

時口號，采用本地分配，又稱為動態(tài)分袁

總乙，IC噸UDP漏口的分配規(guī)則是：

>端口0：不使用，或者作為特殊的使用;

>端口1?255：保留給特定的服務(wù)，TCP和UDP我

規(guī)定，小于256的端口號才能分配給網(wǎng)上著名的服務(wù);

>^□256-1023：保留給其他的服務(wù)，如路由；

>^□1024-4999：可以用作任意客戶的端口；

>^□5000-65535：可以用作用戶的服務(wù)器端口。

我們可以描述一下，在這樣的端口分

配機制下，客戶進(jìn)程C與服務(wù)器進(jìn)程S第

一次通信的情景。圖1.5表示了客戶與服

務(wù)器第一次通信的情況。

IP地址：202.5.7.8IP地址：178.7.8.9

在因特網(wǎng)絡(luò)中，用一個三元組可以在全局

中唯一地標(biāo)識一個應(yīng)用層進(jìn)程：

應(yīng)用層進(jìn)程地址二(傳輸層協(xié)議，主機的

地址，傳輸層的端口號)

這樣一個三元組，叫做一個半相關(guān)

(half-association),它標(biāo)識了因特網(wǎng)中,

進(jìn)程間通信的一個端點，也把它稱為進(jìn)程的網(wǎng)

絡(luò)地址。

一個完整的網(wǎng)間通信需要一個五元組在全

局中唯一地來標(biāo)識：

(傳輸層協(xié)議，本地機IP地址，本地機傳輸局

端口，遠(yuǎn)地機工P地址，遠(yuǎn)地機傳輸層端口)

這個五元組稱為一個全相關(guān)

(association)o即兩個協(xié)議相同的半相關(guān)

才能組合成一個合適的全相關(guān)，或完全指定一

對網(wǎng)間通信的進(jìn)程。

1.1.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的特征

L面向消息的協(xié)議與基于流的協(xié)議

(1)面向消息的協(xié)議

面向消息的協(xié)議以消息為單位在網(wǎng)上傳送

數(shù)

據(jù),在發(fā)送端，消息一條一條地發(fā)送，在接

端

收

立

獨,也只能一條一條地接收，每一條消息是

的，消息之間存在著邊界。

W32平臺W32平

圖L6保護消息邊界的數(shù)據(jù)報傳輸服務(wù)

(2)基于流的協(xié)議

基于流的協(xié)議不保護消息邊界，將數(shù)據(jù)當(dāng)

作字節(jié)流連續(xù)地傳輸，不管實際消息邊界是否

存在。

W32平臺W32平臺

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

圖L7無消息邊界的流傳輸服務(wù)F

一個協(xié)議可以提供面向連接的服務(wù)，或

者提供無連接的服務(wù)。

面向連接服務(wù)是電話系統(tǒng)服務(wù)模式的抽

象，即每一次完整的數(shù)據(jù)傳輸都要經(jīng)過建立

連接，使用連接，終止連接的過程。

無連接服務(wù)是郵政系統(tǒng)服務(wù)的抽象，每

個分組都攜帶完整的目的地址，各分組在系

統(tǒng)中獨立傳送。

可靠性保證了發(fā)送端發(fā)出的每個字節(jié)都能

到達(dá)既定的接收端，不出錯，不丟失，不重耳,

保證數(shù)據(jù)的完整性，稱為保證投遞。

次序性是指對數(shù)據(jù)到達(dá)接收端的順序進(jìn)行

處理。保護次序性的協(xié)議保證接收端收到數(shù)據(jù)

的順序就是數(shù)據(jù)的發(fā)送順序，稱為按序遞交。

1.1.4高效的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP

傳輸層的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UserDatagram

Protocol,UDP)是一種盡力傳送的無連接的不保

障可靠的傳輸服務(wù)，是一種保護消息邊界的數(shù)據(jù)的傳

輸。

1.1.5可靠的傳輸控制協(xié)議TCP

?1.可靠性是很多應(yīng)用的基礎(chǔ)

?2.TCP為應(yīng)用層提供的服務(wù)

?傳輸控制協(xié)議(Transmission

ControlProtocol,TCP)應(yīng)用層進(jìn)程提

供一個面向連接的、端到端的、完全可靠

的(無差錯、無丟失、無重復(fù)或失序)全

雙工的流傳輸服務(wù)。

V7

TCP被稱作一種端對端fendtoend；

協(xié)議，這是因為它提供一個直接從一臺計算機

上的應(yīng)用進(jìn)程到另一遠(yuǎn)程計算機上的應(yīng)用進(jìn)程

的連接。應(yīng)用進(jìn)程能請求TCP構(gòu)造一個連接，

通過這個連接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，以及關(guān)閉連接。

由TCP提供的連接叫做虛連接（virtual

connection；,虛連接是由軟件實現(xiàn)的。事

實上，底層的因特網(wǎng)條統(tǒng)并不對連接提供硬件

或軟件支持，只是兩臺機器上的TCP軟件模塊

通過交換消息來實現(xiàn)連接的幻象。

7

圖1.8TCP是一個端到端的傳輸協(xié)議

4、三次握手

為確保連接的建立和終止都是可靠的，TCP使用

三次握手C3-wayhandshake；的方式來建立連

接，主機甲主機乙

TCP實體TCP實體

SYN=1,序號=X

ACK=1,確認(rèn)號二X+1

SYN=1,序號二Y

ACK=1,確認(rèn)號=Y+1

圖L9TCP的三次握手過程

1.2三類網(wǎng)絡(luò)編程

1.2.1基于TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)編程

基于TCP/工P協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)編程是最基本的網(wǎng)

絡(luò)編程方式，主要是使用各種編程語言，利用操作

系統(tǒng)提供的套接字網(wǎng)絡(luò)編程接口，直接開發(fā)各種網(wǎng)

絡(luò)應(yīng)用程序。本書主要講解這種網(wǎng)絡(luò)編程的相關(guān)技

術(shù)。

\/

122基于WWW應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)編程

?WWW應(yīng)用是因特網(wǎng)上最廣泛的應(yīng)用,

稱為萬維網(wǎng)

?基于WWW應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，包

括所見即所得的網(wǎng)頁制作工具，和動態(tài)服

務(wù)器頁面的制作技術(shù)。

1.2.3基于.NEH王架的WebServices網(wǎng)絡(luò)編程

F\

口

微軟公司在2000年7月公布的.NET平臺是一人

全新的開發(fā)框架，集成了微軟二十世紀(jì)九十年代后期

的許多技術(shù)，I

（工）.NET平臺有四組產(chǎn)品

①開發(fā)工具：

②專用服務(wù)器

pWeb服務(wù)。

-----------1

(2)MS.NET順應(yīng)了軟件工業(yè)的趨勢，包括以下幾

個方面：

①分布式計算：

②組件化：

③企業(yè)級別的服務(wù)：

④WEB范型轉(zhuǎn)移：

?(3),NET平臺由三層軟件構(gòu)成

?①頂層是全新的開發(fā)工具VS.NET,

?②中間層包括三部分：,NET服務(wù)

器、.NET服務(wù)構(gòu)件和.NET框架。

?③底層是WINDOWS操作系統(tǒng)。

4).NET框架的設(shè)計要支持的目標(biāo)

①簡化組件的使用:

②實現(xiàn)語言的集成：

③支持Internet的互操作:

④簡化軟件的開發(fā)：

⑤簡化組件的部署：

⑥提高可靠性：

⑦提高安全性：

:2

什么是Web服務(wù)？Web服務(wù)是松散耦合的可

復(fù)用的軟件模塊，在工nternet上發(fā)布后，能通過

標(biāo)準(zhǔn)的Ditemet協(xié)議在程序中訪問，具有以下的

特點：

(1)可復(fù)用：

(2)松散耦合：

(3)封裝了離散：

|(4)Web服務(wù)可以在程序中訪問

Web服務(wù)在工nternet上發(fā)布

1.3客戶/服務(wù)器交互模式

本節(jié)著重于因特網(wǎng)上的高級服務(wù)，以及提供這

些服務(wù)的應(yīng)用軟件。討論網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的客戶/服

務(wù)器交互模式，并說明網(wǎng)絡(luò)協(xié)議操作的方式為什么

需要這種模式。這是構(gòu)筑所有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

V/

1.3.1網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的地位和功能

?因特網(wǎng)僅僅提供一個通用的通信構(gòu)架，

它只負(fù)責(zé)傳送信息，而對于信息傳過去干

什么用，利用因特網(wǎng)究竟提供什么服務(wù)，

由哪些計算機來運行這些服務(wù)，如何確定

服務(wù)的存在，如何使用這些服務(wù)等等問題，

都要由應(yīng)用軟件和用戶解決。

\/

1.3.2客戶/服務(wù)器模式

_網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)程通信時，普遍采用客戶/服務(wù)

器交互模式(client-serverparadigmof

interaction),簡稱C/S模式。這是因特網(wǎng)上

應(yīng)用程序最常用的通信模式。

?C/S模式過程中服務(wù)器處于被動服務(wù)

的地位。首先服務(wù)器方要先啟動，并根據(jù)

客戶請求提供相應(yīng)服務(wù)，服務(wù)器的工作過

程是：

?(1)打開一通信通道，并告知服務(wù)器所

在的主機，它愿意在某一公認(rèn)的地址上

(熟知知端口，如FTP為21)接收客戶請

求。

?(2)等待客戶的請求到達(dá)該端口。

(3)服務(wù)器接收到服務(wù)請求，處理該請求

并發(fā)送應(yīng)答信號。為了能并發(fā)地接收多個客

戶的服務(wù)請求，要激活一個新進(jìn)程或新線程

來處理這個客戶請求(如UNIX系統(tǒng)中用

fork、exec)。服務(wù)完成后，關(guān)閉此新進(jìn)

程與客戶的通信鏈路，并終止。

(4)返回第二步，等待并處理另一客戶請

￡5)在特定的情況下，關(guān)閉服務(wù)器。

?客戶方采取的是主動請求方式，其工

作過程是：

?(1)打開一通信通道，并連接到服務(wù)器

所在主機的特定監(jiān)聽端口。

?(2)向服務(wù)器發(fā)送請求報文，等待并接

收應(yīng)答；繼續(xù)提出請求，與服務(wù)器的會話

按照應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行。

?(3)請求結(jié)束后，關(guān)閉通信通道并終止。

表1.2一些著名的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用客戶端軟件服務(wù)器軟件應(yīng)用層協(xié)議

電子郵件foxmail電子郵件服務(wù)器SMTP、Pop3

文件傳輸cutrIP文件傳輸服務(wù)器FTP

WWW瀏覽IE瀏覽器IIS服務(wù)器HTTP

1.3.3客戶與服務(wù)器的特性

客戶軟件和服務(wù)器軟件通常還具有以下

些主要特點：

1、家戶軟件

(1)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時臨時成為客戶，但它

也可在本地進(jìn)行其他的計算。

(2)被用戶調(diào)用，只為一個會話運行。在打

算通信時主動向遠(yuǎn)地服務(wù)器發(fā)起通信。

\)

?(3)能訪問所需的多種服務(wù)，但在某一

時刻只能與一個遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行主動通信。

?(4)主動地啟動與服務(wù)器的通信。

?(5)在用戶的計算機上運行，不需要特

殊的硬件和很復(fù)雜的操作系統(tǒng)。

(1)是一種專門用來提快桀潸哪嘮1物陌序r序時

處理多個遠(yuǎn)地客戶的請求。

(2)當(dāng)系統(tǒng)啟動時即自動調(diào)用，并且連續(xù)運行著,

不斷地為多個會話服務(wù)。

(3)接受來自任何客戶的通信請求，但只提供一本n

I服務(wù)。

(4)被動地等待并接受來自多個遠(yuǎn)端客戶的通信請

求。

(5)在共享計算機上運行，一般需要強大的硬件

高級的操作系統(tǒng)支持。

(1)客戶和服務(wù)器都是軟件進(jìn)程，C/S模式

是網(wǎng)絡(luò)上通過進(jìn)程通信建立分布式應(yīng)用的常用

,莫型。

(2)非對稱性：服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，

客戶通過網(wǎng)絡(luò)使用服務(wù)，這種不對稱性體現(xiàn)在

軟件結(jié)構(gòu)和工作過程上。

(3)對等性：客戶和服務(wù)器必有一套共識

的約定，必與以某種應(yīng)用層協(xié)議相聯(lián)，并

且協(xié)議必須在通信的兩端實現(xiàn)。比如瀏覽

器和3W服務(wù)器就都基于HTTP超文本傳輸

協(xié)議。

?(4)服務(wù)器的被動性：服務(wù)器必須先行

啟動，時刻監(jiān)聽，日夜值守，及時服務(wù)，

只要有客戶請求，就立即處理并響應(yīng)，回

傳信息。但決不主動提供服務(wù)。

(5)客戶機的主動性：客戶機可以隨時提出請求，

通過網(wǎng)絡(luò)得到服務(wù)，也可以關(guān)機走人，一次請求與

服務(wù)的過程是由客戶機首先激發(fā)的。

(6)一對多：一個服務(wù)器可以為多個客戶機服務(wù)，

客戶機也可以打開多個窗口，連接多個服務(wù)器。

(7)分布性與共享性：資源在服務(wù)器端組織與存儲,

通過網(wǎng)絡(luò)分散在多個客戶端使用。

1.3.4容易混淆的術(shù)語

L服務(wù)器程序與服務(wù)器類計算機

服務(wù)器(server)這個術(shù)語來指那些運行著的服

務(wù)程序。

月艮務(wù)器類計算機(server-classcomputer)

這一術(shù)語來稱呼那些運行服務(wù)器軟件的強大的計算機

\7

?2、家戶與用戶

?“客戶”何ient）和服務(wù)器都指的是應(yīng)

用進(jìn)程，即計算機軟件。

?“用戶”（user）指的是使用計算機的

人。

V/

—

圖L10用戶、客戶、服務(wù)器、服務(wù)器類計算機

1.3.5客戶與服務(wù)器的通信過程

客戶與服務(wù)器的通信過程一般是這樣的：

(1)通信之前，服務(wù)器應(yīng)先行啟動，并通

知它的下層協(xié)議棧做好接收客戶請求的準(zhǔn)備,

然后被動地等待客戶的通信請求，稱服務(wù)器

處于監(jiān)聽狀態(tài)。

?(2)一般是先由客戶向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)

器向客戶返回應(yīng)答?？蛻綦S時可以主動啟動通

信，向服務(wù)器發(fā)出連接請求，服務(wù)器接收這個

請求，建立了二者的通信關(guān)系。

?(3)客戶與服務(wù)器的通信關(guān)系一旦建立，客戶

和服務(wù)器都可發(fā)送和接收信息。信息在客戶與

服務(wù)器之間可以沿任一方向或兩個方向傳遞。

在某些情況下，客戶向服務(wù)器發(fā)送一系列請求,

服務(wù)器相應(yīng)地返回一系列應(yīng)答。

1.3.6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與C/S模式的關(guān)系

客戶與服務(wù)器作為兩個軟件實體，它們之間的通

信是虛擬的，是概念上的，實際的通信要借