网络程序设计-第一章

1主 讲 ： 李 荣 2 n 使 用 教 材l 网 络 编 程 实 用 教 程 l 人 民 邮 电 出 版 社 叶 树 华 编 著n 考 核 方 式l考 试 80 分l考 勤 20 分 3 主 要 内 容n 网 络 编 程 基 本 概 念 和 编 程 模 式n UNIX套 接 字 编 程n Sockets规 范n WinInet API和 MFC WinInet类n Win32的 多 进 程 多 线 程 机 制n 5种 套 接 字 I/O模 型n HTTP协 议 及 编 程n 电 子 邮 件 协 议 及 编 程 4 网 络 编 程 相 关 的 基 本 概 念1.1 三 类 网 络 编 程1.2 客 户 机 /服 务 器 交 互 模 式1.3 P2P模 式 1.4 5 1.1.1 网 络 编 程 与 进 程 通 信1 进 程 与 线 程 的 基 本 概 念n 进 程 是 处 于 运 行 过 程 中 的 程 序 实 例 ， 是 操 作 系 统调 度 和 分 配 资 源 的 基 本 单 位 。n 一 个 进 程 实 体 由 三 部 分 构 成 。l 程 序 代 码 :规 定 进 程 所 做 的 计 算 。l 数 据 :计 算 的 对 象 。l 进 程 控 制 块 :是 操 作 系 统 为 了 控 制 进 程 建 立 的 数据 结 构 ， 用 来 管 理 进 程 的 内 核 对 象 ， 系 统 用 来 存 放关 于 进 程 的 统 计 信 息 。1.1 网 络 编 程 相 关 的 基 本 概 念 6 n 操 作 系 统 给 进 程 分 配 内 存 空 间 ：l 静 态 分 配 空 间 ： 用 来 装 入 进 程 所 有 的 可 执 行模 块 或 动 态 链 接 库 模 块 的 代 码 及 数 据 。l 动 态 分 配 空 间 ： 栈 区 空 间 和 堆 区 空 间 。n 各 种 计 算 机 应 用 程 序 在 运 行 时 ， 都 以 进 程 的 形 式存 在 ， 网 络 应 用 程 序 也 不 例 外 。n Windows系 统 不 但 支 持 多 进 程 ， 还 支 持 多 线 程 。l 进 程 是 分 配 资 源 的 单 位 ；l 线 程 是 执 行 和 调 度 的 单 位 。n 由 线 程 负 责 执 行 包 含 在 进 程 的 地 址 空 间 中 的 代 码 .1 进 程 与 线 程 的 基 本 概 念 7 n 一 个 进 程 可 以 包 含 若 干 个 线 程 ， 同 时 执 行 进 程地 址 空 间 中 的 代 码 。l当 创 建 一 个 进 程 时 ， 系 统 会 自 动 创 建 它 的 第 一个 线 程 ， 称 为 主 线 程 。l然 后 ， 该 线 程 可 以 创 建 其 他 的 线 程 ， 而 这 些 线程 又 能 创 建 更 多 的 线 程 。l每 个 线 程 拥 有 自 己 的 一 组 CPU寄 存 器 和 堆 栈 。l进 程 至 少 拥 有 一 个 线 程 ， 否 则 将 被 撤 销 。n Windows 2000能 在 有 多 个 CPU的 计 算 机 上 运 行 ，每 个 CPU上 运 行 不 同 的 线 程 ， 达 到 多 线 程 同 时运 行 。 1 进 程 与 线 程 的 基 本 概 念 8 1 进 程 与 线 程 的 基 本 概 念 图 1.1 单 CPU分 时 地 运 行 进 程 中 的 各 个 线 程 9 n 从 计 算 机 网 络 体 系 结 构 的 角 度 来 看 ， 网 络 应 用进 程 处 于 网 络 层 次 结 构 的 最 上 层 。n 从 功 能 上 ， 可 以 将 网 络 应 用 程 序 分 为 两 部 分 ：l 一 部 分 是 专 门 负 责 网 络 通 信 的 模 块 ， 它 们 与网 络 协 议 栈 相 连 接 ， 借 助 网 络 协 议 栈 提 供 的 服务 完 成 网 络 上 数 据 信 息 的 交 换 。l 另 一 部 分 是 面 向 用 户 或 者 作 其 他 处 理 的 模 块， 它 们 接 收 用 户 的 命 令 ， 或 者 对 借 助 网 络 传 输过 来 的 数 据 进 行 加 工 。n 这 两 部 分 模 块 相 互 配 合 ， 来 实 现 网 络 应 用 程 序的 功 能 。 2 网 络 应 用 进 程 在 网 络 体 系 结 构 中 的 位 置 10图 1.2 网 络 应 用 程 序 在 网 络 体 系 结 构 中 的 位 置 2 网 络 应 用 进 程 在 网 络 体 系 结 构 中 的 位 置 11 n 网 络 应 用 程 序 这 两 部 分 的 关 系 ：l 通 信 模 块 ， 是 网 络 分 布 式 应 用 的 基 础 ；l 其 他 模 块 ， 对 网 络 交 换 的 数 据 进 行 加 工 处 理 。l网 络 应 用 程 序 要 实 现 网 络 资 源 的 共 享 ， 共 享 的 基础 就 是 必 须 能 够 通 过 网 络 轻 松 地 传 递 各 种 信 息 。l网 络 编 程 首 先 要 解 决 网 间 进 程 通 信 的 问 题 ， 然 后才 能 在 通 信 的 基 础 上 开 发 各 种 应 用 功 能 。2 网 络 应 用 进 程 在 网 络 体 系 结 构 中 的 位 置 12 3 实 现 网 间 进 程 通 信 必 须 解 决 的 问 题 网 间 进 程 通 信 是 指 网 络 中 不 同 主 机 中 的 应 用 进程 之 间 的 相 互 通 信 问 题 ， 必 须 解 决 以 下 问 题 ：l 网 间 进 程 的 标 识 问 题 (不 能 只 用 进 程 号 标 识 )；l 如 何 与 网 络 协 议 栈 连 接 的 问 题 （ 通 过 定 义 套 接字 网 络 编 程 接 口 来 解 决 ） ；l 多 重 协 议 的 识 别 问 题 (不 同 协 议 工 作 方 式 不 同 )；l 不 同 通 信 服 务 的 问 题 （ 要 求 不 同 ， 如 文 件 传 输要 求 可 靠 、 无 差 错 、 无 乱 序 、 无 丢 失 ， 网 络 聊 天要 求 不 高 ， 可 选 TCP和 UDP服 务 ） 。 13 1 传 输 层 在 网 络 通 信 中 的 地 位n TCP/IP协 议 栈 的 特 点 是 “ 两 头 大 、 中 间 小 ”l应 用 层 有 多 个 应 用 进 程 ,使 用 不 同 应 用 层 协 议 ；l网 络 接 口 层 ， 有 多 种 数 据 链 路 层 协 议 ， 支 持 不同 的 物 理 网 络 连 接 ；l网 络 层 有 IP协 议 ， 传 输 层 有 TCP和 UDP协 议 。n 按 照 OSI七 层 协 议 的 描 述 ， 传 输 层 与 网 络 层 在 功能 上 的 最 大 区 别 ， 是 传 输 层 提 供 进 程 通 信 的 能 力 。n TCP/IP协 议 提 出 了 传 输 层 协 议 端 口 （ 简 称 端 口 ）的 概 念 ， 成 功 地 解 决 了 通 信 进 程 的 标 识 问 题 。 14 1 传 输 层 在 网 络 通 信 中 的 地 位 传 输 层 是 计 算 机 网 络 中 ， 通 信 主 机 内 部 进 行 独 立操 作 的 第 一 层 ， 是 支 持 端 到 端 的 进 程 通 信 的 关 键 的 一层 。 图 1.3 基 于 TCP/IP协 议 栈 的 进 程 间 的 通 信 15 2 端 口 的 概 念n 端 口 是 TCP/IP协 议 族 中 ， 应 用 层 进 程 与 传 输 层协 议 实 体 间 的 通 信 接 口n 在 OSI七 层 协 议 描 述 中 ， 将 其 称 为 应 用 层 进 程 与传 输 层 协 议 实 体 间 的 服 务 访 问 点 （ SAP） 。l应 用 层 进 程 通 过 系 统 调 用 与 某 个 传 输 层 端 口进 行 绑 定 ， 然 后 通 过 该 端 口 接 收 或 发 送 数 据 。l类 似 于 文 件 描 述 符 ， 每 个 端 口 都 拥 有 一 个 叫作 端 口 号 （ port number） 的 16位 整 数 型 标 识符 。l可 以 用 端 口 标 识 通 信 的 网 络 应 用 程 序 。 16 2 端 口 的 概 念 图 1.4 UDP与 TCP的 报 文 格 式 n 传 输 层 TCP和 UDP两 个 协 议 是 完 全 独 立 的 软 件 模块 ， 因 此 各 自 的 端 口 号 也 独 立 。l 使 用 时 必 须 说 明 是 UDP端 口 还 是 TCP端 口 ， 两 种 协议 的 端 口 间 没 有 任 何 联 系 。l TCP 和 UDP都 可 以 提 供 65536个 端 口 。l 端 口 是 操 作 系 统 可 分 配 的 一 种 资 源 。 17 n 从 实 现 的 角 度 讲 ， 端 口 是 一 种 抽 象 的 软 件 机 制 ， 包 括 一 些 数 据 结 构 和 I/O缓 冲 区 。l进 程 通 过 系 统 调 用 与 某 端 口 建 立 绑 定 关 系 后 ， 传 输层 传 给 该 端 口 的 数 据 都 被 相 应 进 程 接 收 ， 相 应 进 程发 给 传 输 层 的 数 据 都 通 过 该 端 口 输 出 。 n 在 TCP/IP实 现 中 端 口 操 作 类 似 于 一 般 的 I/O操 作 。l进 程 获 取 一 个 端 口 ， 相 当 于 获 取 本 地 唯 一 的 I/O文件 ， 可 以 用 一 般 的 读 写 原 语 访 问 。 2 端 口 的 概 念 18 3 端 口 号 的 分 配 机 制n 网 络 进 程 通 信 前 必 须 获 知 对 方 的 进 程 地 址 。l由 于 网 络 应 用 程 序 大 多 采 用 C/S模 式 开 发 ，通 信 总 是 由 客 户 机 发 起 ， 因 此 事 先 只 需 让 客户 机 知 道 服 务 器 进 程 的 端 口 号 即 可 。lInternet中 众 所 周 知 的 服 务 是 有 限 的 。n TCP/IP协 议 采 用 了 全 局 分 配 （ 静 态 分 配 ） 和 本地 分 配 （ 动 态 分 配 ） 相 结 合 的 分 配 方 法 。n 对 于 TCP， 或 者 UDP， 将 它 们 的 全 部 65536个 端口 号 分 为 保 留 端 口 号 和 自 由 端 口 号 两 部 分 。 19 n 保 留 端 口 号 ： 范 围 是 0-1023， 又 称 为 众 所 周 知的 端 口 或 熟 知 端 口 （ well-known port） ， 只 占少 数 ， 采 用 全 局 分 配 或 集 中 控 制 的 方 式 ， 由 一个 公 认 的 中 央 机 构 根 据 需 要 进 行 统 一 分 配 ， 静态 地 分 配 给 因 特 网 上 著 名 的 众 所 周 知 的 服 务 器进 程 ， 并 将 结 果 公 布 于 众 。 3 端 口 号 的 分 配 机 制TCP的 保 留 端 口 UDP的 保 留 端 口FTP 21 DNS 53HTTP 80 TFTP 69SMTP 25 SNMP 161POP3 110 表 1.1 一 些 典 型 的 应 用 层 协 议 分 配 到 的 保 留 端 口 20 n 自 由 端 口 号 :范 围 是 1024-65535， 采 用 本 地 分 配 ， 又称 为 动 态 分 配 的 方 法 。 n TCP或 UDP端 口 的 分 配 规 则 是 ：l 端 口 0： 不 使 用 ， 或 者 作 为 特 殊 的 用 途 ；l 端 口 1-255： 保 留 给 特 定 的 服 务 ， TCP和 UDP均 规定 ， 小 于 256的 端 口 号 才 能 分 配 给 网 上 著 名 的 服 务 ；l 端 口 256-1023： 保 留 给 其 他 的 服 务 ， 如 路 由 ；l 端 口 1024-4999： 可 以 用 作 任 意 客 户 机 的 端 口 ；l 端 口 5000-65535： 可 以 用 作 用 户 的 服 务 器 端 口 。3 端 口 号 的 分 配 机 制 21 3 端 口 号 的 分 配 机 制 我 们 可 以 描 述 一 下 ， 在 这 样 的 端 口 分 配 机制 下 ， 客 户 机 进 程 C与 服 务 器 进 程 S第 一 次 通 信的 情 景 。 图 1.5 客 户 机 与 服 务 器 的 第 一 次 通 信 22 n 为 确 保 服 务 器 进 程 为 多 个 客 户 机 进 程 服 务 ， 服务 器 的 保 留 端 口 是 专 门 用 来 监 听 客 户 端 的 连 接请 求 的 。n 当 服 务 器 从 保 留 端 口 接 收 到 一 个 客 户 机 的 请 求后 ， 立 即 创 建 另 外 一 个 线 程 ， 并 为 这 个 线 程 分配 一 个 自 由 端 口 （ 在 5000 65535选 择 分 配 ） ，然 后 继 续 接 收 新 的 客 户 机 请 求 。3 端 口 号 的 分 配 机 制 23 4 进 程 的 网 络 地 址 的 概 念n 在 因 特 网 中 ， 用 一 个 三 元 组 可 以 在 全 局 中 唯 一 地 标识 一 个 应 用 层 进 程 ： 应 用 层 进 程 地 址 =（ 传 输 层 协 议 ， 主 机 的 IP地 址 ， 传 输 层 的 端 口 号 ）n 这 样 一 个 三 元 组 ， 叫 做 一 个 半 相 关 （ half-association） ， 它 标 识 了 因 特 网 中 进 程 间 通 信 的 一个 端 点 ， 也 把 它 称 为 进 程 的 网 络 地 址 。 24 5 网 络 中 进 程 通 信 的 标 识n 一 个 完 整 的 网 间 通 信 需 要 一 个 五 元 组 在 全 局 中 唯一 地 来 标 识 ：(传 输 层 协 议 ， 本 地 机 IP地 址 ， 本 地 机 传 输 层 端 口 ， 远 地 机 IP地 址 ， 远 地 机 传 输 层 端 口 )n 这 个 五 元 组 称 为 一 个 全 相 关 （ association） ， 即两 个 协 议 相 同 的 半 相 关 才 能 组 合 成 一 个 合 适 的 全相 关 ， 或 完 全 指 定 一 对 网 间 通 信 的 进 程 。 25 n 在 网 络 分 层 体 系 结 构 中 ， 各 层 之 间 是 严 格 单 向 依赖 的 ， 各 层 次 的 分 工 和 协 作 集 中 体 现 在 相 邻 层 之间 的 接 口 上 。n 服 务 是 描 述 相 邻 层 之 间 关 系 的 抽 象 概 念 。l下 层 是 服 务 提 供 者 、 上 层 是 服 务 使 用 者 ；l服 务 的 表 现 形 式 是 原 语 操 作 ， 一 般 以 系 统 调 用或 函 数 库 的 形 式 提 供 。l系 统 调 用 是 操 作 系 统 内 核 向 网 络 应 用 程 序 或 高层 协 议 提 供 的 服 务 原 语 。lN层 要 向 N+1层 提 供 比 N-1层 更 完 善 的 服 务 。 26 l网 络 层 及 以 下 各 层 称 为 通 信 子 网 ， 提 供 点 到 点通 信 ， 没 有 程 序 或 进 程 的 概 念 。l传 输 层 实 现 的 是 端 到 端 的 通 信 ， 引 进 了 网 间 进程 的 概 念 ， 同 时 还 要 解 决 差 错 控 制 、 流 量 控 制 、报 文 排 序 和 连 接 管 理 等 问 题 。l不 同 的 传 输 层 协 议 以 不 同 的 方 式 向 应 用 层 提 供不 同 的 服 务 。n 网 络 程 序 开 发 者 应 了 解 常 用 网 络 协 议 的 基 本 特 征 ，掌 握 特 定 协 议 在 程 序 中 的 行 为 方 式 。 27 1 面 向 连 接 的 服 务 和 无 连 接 的 服 务n 协 议 可 以 提 供 面 向 连 接 的 服 务 ， 或 者 提 供 无连 接 的 服 务 。n 面 向 连 接 服 务 是 电 话 系 统 服 务 模 式 的 抽 象 ，即 每 一 次 完 整 的 数 据 传 输 都 要 经 过 建 立 连 接， 使 用 连 接 ， 终 止 连 接 的 过 程 。l传 输 过 程 中 数 据 分 组 不 携 带 目 的 地 址 ；lTCP提 供 面 向 连 接 的 虚 电 路 服 务 ， 建 立 连 接时 确 定 通 信 路 径 ， 并 经 过 协 商 做 好 通 信 准备 。l连 接 需 要 很 多 开 销 ， 如 差 错 控 制 和 流 量 控制 。 28 n 无 连 接 服 务 ， 是 邮 政 系 统 服 务 的 抽 象 ， 每 个 分 组都 携 带 完 整 的 目 的 地 址 ， 各 分 组 在 系 统 中 独 立 传送 。 l不 能 保 证 分 组 按 序 到 达 ， 不 能 进 行 分 组 出 错 的恢 复 与 重 传 ， 不 能 保 证 传 输 的 可 靠 性 。l通 信 前 不 需 建 立 连 接 ， 不 管 接 收 端 是 否 做 好 准备 接 收 数 据 。lUDP是 无 连 接 协 议 。1 面 向 连 接 的 服 务 和 无 连 接 的 服 务 29 2 面 向 消 息 的 协 议 与 基 于 流 的 协 议（ 1） 面 向 消 息 的 协 议n 面 向 消 息 的 协 议 以 消 息 为 单 位 在 网 上 传 送 数 据 ， 在发 送 端 ， 消 息 一 条 一 条 地 发 送 ， 在 接 收 端 ， 也 只 能一 条 一 条 地 接 收 ， 每 一 条 消 息 是 独 立 的 ， 消 息 之 间存 在 着 边 界 。 n 保 护 消 息 边 界 ： 是 指 传 输 协 议 把 数 据 当 作 一 条 独 立的 消 息 在 网 上 传 输 ， 接 收 端 只 能 接 收 独 立 的 消 息 ，即 接 收 端 一 次 只 能 接 收 发 送 端 发 出 的 一 个 数 据 包 。 30图 1.6 保 护 消 息 边 界 的 数 据 报 传 输 服 务 n UDP就 是 面 向 消 息 的 ， 适 合 于 交 换 结 构 化 数 据 。 （ 1） 面 向 消 息 的 协 议 31 （ 2） 基 于 流 的 协 议n 基 于 流 的 协 议 不 保 护 消 息 边 界 ， 将 数 据 当 作 字 节流 连 续 地 传 输 ， 不 管 实 际 消 息 边 界 是 否 存 在 。l发 送 端 允 许 系 统 将 原 始 消 息 分 解 成 几 条 小 消息 分 别 发 送 ， 或 把 几 条 消 息 积 累 在 一 起 形 成 大数 据 包 发 送 ， 多 次 发 送 的 数 据 统 一 编 号 。l如 果 发 送 端 连 续 发 送 数 据 ， 接 收 端 有 可 能 在一 次 接 收 动 作 中 接 收 两 个 或 更 多 的 数 据 包 。l只 要 数 据 一 到 达 ， 网 络 堆 栈 就 开 始 读 取 并 将其 缓 存 ， 等 待 进 程 处 理 。 32 （ 2） 基 于 流 的 协 议 图 1.7 无 消 息 边 界 的 流 传 输 服 务n TCP是 基 于 流 的 协 议 。 n 流 传 输 ， 把 数 据 当 作 一 串 数 据 流 ， 不 认 为 数 据 是一 个 一 个 的 消 息 ， 编 程 时 不 要 忽 略 这 一 点 。 33 3 可 靠 性 和 次 序 性n 可 靠 性 ： 保 证 了 发 送 端 发 出 的 每 个 字 节 都 能到 达 既 定 的 接 收 端 ， 不 出 错 ， 不 丢 失 ， 不 重复 ， 保 证 数 据 的 完 整 性 ， 称 为 保 证 投 递 。n 次 序 性 ： 是 指 对 数 据 到 达 接 收 端 的 顺 序 进 行处 理 。 保 护 次 序 性 的 协 议 保 证 接 收 端 收 到 数据 的 顺 序 就 是 数 据 的 发 送 顺 序 ， 称 为 按 序 递交 。 n 协 议 的 可 靠 性 和 次 序 性 与 是 否 面 向 连 接 密切 相 关 ， 面 向 连 接 的 协 议 可 保 证 可 靠 性 和次 序 性 。 34 l1.1.4 高 效 的 用 户 数 据 报 协 议 UDPn 用 户 数 据 报 协 议 （ User Datagram Protocol，UDP） ， 是 一 种 尽 力 传 送 的 、 无 连 接 的 、 不 保 障可 靠 的 传 输 服 务 ， 是 一 种 保 护 消 息 边 界 的 数 据 传输 。l基 于 UDP的 应 用 程 序 在 高 可 靠 性 、 低 延 迟 的 网络 中 运 行 良 好 ；l在 网 络 层 的 基 础 上 只 增 加 了 端 口 号 的 支 持 ；l传 输 效 率 高 ， 适 用 于 交 易 型 的 应 用 程 序 ， 如TFTP、 SNMP、 DNS等 应 用 进 程 。 35 1 可 靠 性 是 很 多 应 用 的 基 础 2 TCP为 应 用 层 提 供 的 服 务 传 输 控 制 协 议 TCP (Transmission Control Protocol， TCP)为 应 用 层 进 程 提 供 一 个 面 向 连 接的 、 端 到 端 的 、 完 全 可 靠 的 （ 无 差 错 、 无 丢 失 、无 重 复 或 失 序 ） 全 双 工 的 流 传 输 服 务 。 n IP为 TCP提 供 的 是 无 连 接 的 、 尽 力 传 送 的 、不 可 靠 的 传 输 服 务 ， TCP为 了 向 应 用 层 进 程提 供 可 靠 的 传 输 服 务 ， 采 取 了 一 系 列 保 障机 制 。n TCP提 供 流 传 输 服 务 ， 对 传 输 数 据 的 内 部 结构 一 无 所 知 ， 只 负 责 将 字 节 流 原 封 不 动 的传 送 到 对 方 的 应 用 进 程 。 36 3 TCP利 用 IP数 据 报 实 现 了 端 对 端 的 传 输 服 务nTCP被 称 作 一 种 端 对 端 （ end to end） 协 议 ， 因 为 它提 供 一 个 直 接 从 一 台 计 算 机 上 的 应 用 进 程 到 另 一 远 程 计算 机 上 的 应 用 进 程 的 连 接 。l 应 用 进 程 能 请 求 TCP构 造 一 个 连 接 ， 通 过 这 个 连 接发 送 和 接 收 数 据 ， 以 及 关 闭 连 接 。l 由 TCP提 供 的 连 接 叫 做 虚 连 接 ， 虚 连 接 是 由 软 件 实现 的 。 事 实 上 ， 底 层 的 因 特 网 系 统 并 不 对 连 接 提 供硬 件 或 软 件 支 持 ， 只 是 两 台 机 器 上 的 TCP软 件 模 块通 过 交 换 消 息 来 实 现 连 接 的 虚 拟 。 37图 1.8 TCP是 一 个 端 到 端 的 传 输 协 议 3 TCP利 用 IP数 据 报 实 现 了 端 对 端 的 传 输 服 务n 从 TCP角 度 来 看 ， 整 个 Internet是 一 个 通 信 系 统 ，能 够 接 收 和 传 递 消 息 ， 而 不 会 改 变 和 干 预 消 息 的内 容 。 38 4 三 次 握 手n 为 确 保 连 接 的 建 立 和 终 止 都 是 可 靠 的 ， TCP使 用 三次 握 手 （ 3-way handshake） 的 方 式 来 建 立 连 接 . 图 1.9 TCP的 三 次 握 手 过 程 39 n 已 证 明 ： 三 次 握 手 是 在 包 丢 失 、 重 复 和 延 迟 的 情况 下 确 保 非 模 糊 协 定 的 充 要 条 件 。l如 图 所 示 ， 前 两 个 被 称 为 SYN段 。lTCP会 重 发 丢 失 的 SYN段 。l三 次 握 手 确 保 TCP不 会 打 开 或 关 闭 一 个 连 接 ，直 到 两 端 达 成 一 致 。l创 建 一 个 连 接 的 三 次 握 手 中 ， 要 求 每 一 端 产 生一 个 随 机 32位 序 列 号 。 l在 计 算 机 重 启 后 ， 尝 试 建 立 一 个 新 的 TCP连 接时 ， 要 选 择 一 个 新 的 随 机 数 ， 可 保 证 不 受 老 连接 的 重 复 或 延 迟 包 的 影 响 。4 三 次 握 手 40 1.2.1 基 于 TCP/IP协 议 栈 的 网 络 编 程三 类 网 络 编 程1.2n 最 基 本 的 网 络 编 程 方 式 ， 主 要 是 使 用 各 种 编 程 语言 ， 利 用 操 作 系 统 提 供 的 套 接 字 网 络 编 程 接 口 ，直 接 开 发 各 种 网 络 应 用 程 序 。n 本 门 课 程 主 要 讲 解 这 种 网 络 编 程 的 相 关 技 术 。l直 接 利 用 网 络 协 议 栈 提 供 的 服 务 来 实 现 网 络 应用 ， 层 次 比 较 低 ， 编 程 者 自 由 度 比 较 大 ， 在 利用 套 接 字 实 现 了 网 络 进 程 通 信 以 后 ， 可 以 编 写各 种 网 络 应 用 程 序 。l需 掌 握 套 接 字 网 络 编 程 接 口 及 应 用 层 网 络 协 议 41 n WWW称 为 万 维 网 或 Web， 是 因 特 网 上 最广 泛 的 应 用 。n 基 于 WWW应 用 的 网 络 编 程 技 术 ， 包 括 ：l 所 见 即 所 得 的 静 态 网 页 制 作 ；u HTML、 JavaScript等 。l 动 态 服 务 器 页 面 的 制 作 。 u ASP、 PHP、 JSP、 J2EE、 Hibernate、Spring、 Struts等 技 术 。 42 1.2.3 基 于 .NET框 架 的 Web Services网 络 编 程1 关 于 .NET平 台n 微 软 公 司 在 2000年 7月 公 布 的 .NET平 台 是 一 个 全新 的 开 发 框 架 ， 集 成 了 微 软 二 十 世 纪 九 十 年 代后 期 的 许 多 技 术 ， 如 COM+组 件 技 术 、 ASP Web开发 框 架 、 XML和 OOP面 向 对 象 设 计 等 。n .NET支 持 新 的 Web服 务 协 议 ， 如 简 单 对 象 访 问 协议 （ SOAP） ， Web服 务 描 述 语 言 （ WSDL） ， 统 一描 述 、 发 现 和 集 成 规 范 （ UDDI） ， 以 及 以Internet为 中 心 的 理 念 。 43 (1) .NET平 台 有 四 组 产 品 开 发 工 具 ： 一 组 语 言 （ C#和 VB.NET） 、 一 组 开 发工 具 （ Visual Studio.NET） 、 一 个 综 合 类 库 （ 用 于 创建 Web服 务 、 Web应 用 程 序 和 Windows应 用 程 序 ） 、一 个 用 于 执 行 对 象 的 公 共 语 言 运 行 环 境 （ CLR） 。 专 用 服 务 器 :.NET企 业 级 服 务 器 ， 提 供 关 系 型 数 据存 储 。 Web 服 务 设 备 ： .NET驱 动 的 数 字 化 智 能 设 备 。 1 关 于 .NET平 台 44 (2) MS的 .NET使 软 件 成 为 一 种 服 务 ， 除 了 以 Web为 中 心外 ， 还 顺 应 了 软 件 工 业 的 趋 势 ， 包 括 以 下 几 个 方 面 ： 分 布 式 计 算 组 件 化 企 业 级 别 的 服 务 WEB 范 型 转 移1 关 于 .NET平 台n 这 些 都 有 助 于 互 操 作 性 、 可 伸 缩 性 、 易 得 性 、可 管 理 性 指 标 的 实 现 。 45 (3) .NET平 台 由 三 层 软 件 构 成 顶 层 是 全 新 的 开 发 工 具 VS.NET： 用 于 开 发Web服 务 和 其 他 应 用 程 序 ， 支 持 4种 语 言 和跨 语 言 调 试 的 集 成 开 发 环 境 。 中 间 层 包 括 三 部 分n .NET服 务 器n .NET服 务 构 件n .NET框 架 底 层 是 WINDOWS操 作 系 统 46 (4) .NET框 架 的 设 计 要 支 持 的 目 标 简 化 组 件 的 使 用 ； 实 现 语 言 的 集 成 ； 支 持 Internet的 互 操 作 ； 简 化 软 件 的 开 发 ； 简 化 组 件 的 部 署 ； 提 高 可 靠 性 ； 提 高 安 全 性 。 1 关 于 .NET平 台 47 2 关 于 Web服 务 什 么 是 Web服 务 ？ Web服 务 是 松 散 耦 合 的 可 复 用的 软 件 模 块 ， 在 Internet上 发 布 后 ， 能 通 过 标 准 的Internet 协 议 在 程 序 中 访 问 ， 具 有 以 下 的 特 点 ：（ 1） 可 复 用 ；（ 2） 松 散 耦 合 ； （ 3） 封 装 ；（ 4） Web服 务 可 以 在 程 序 中 访 问 ；（ 5） Web服 务 在 Internet上 发 布 。 48 n Web服 务 用 发 现 机 制 来 定 位 服 务 ,实 现 松 散 耦 合 。n Web服 务 发 现 ， 是 定 位 或 发 现 特 定 的 Web服 务 文档 的 过 程 ， 文 档 用 Web服 务 描 述 语 言 （ WSDL）来 描 述 。lWeb服 务 发 现 通 过 .disco文 件 实 现 ， 当 一 个 Web服 务 出 现 后 ， 为 之 发 布 一 个 .disco文 件 ， 是 一个 XML文 档 ， 其 中 包 括 指 向 描 述 Web服 务 的 其他 信 息 资 源 的 链 接 。l程 序 可 以 动 态 的 使 用 这 些 链 接 获 取 说 明 文 档 ，最 终 得 知 Web服 务 的 详 细 信 息 。2 关 于 Web服 务 49 n Web服 务 的 基 本 结 构 ：lWeb服 务 目 录 ： 发 布 Web服 务 提 供 者 能 够 提 供的 Web服 务 ， 供 客 户 查 找 ；lWeb服 务 发 现 ： 统 一 描 述 、 发 现 和 集 成 规 范UDDI定 义 了 一 种 发 布 和 发 现 Web服 务 相 关 信息 的 标 准 方 法 ；lWeb服 务 描 述 ： Web服 务 的 基 本 结 构 建 立 在 通过 基 于 XML的 消 息 进 行 通 信 的 基 础 上 ， 而 消息 必 须 遵 守 Web服 务 描 述 的 约 定 ， 是 一 个 用WSDL表 示 的 XML文 档 ， 定 义 Web服 务 可 以 理解 的 消 息 格 式 。2 关 于 Web服 务 50 n Web服 务 建 立 在 3个 角 色 的 交 互 上 ， 交 互 的 内 容包 括 3个 操 作 。l3个 角 色 ： 服 务 的 提 供 者 、 注 册 处 和 请 求 者 ； l3个 操 作 ： 发 布 、 查 找 和 绑 定 。 n 这 些 角 色 和 操 作 都 围 绕 Web服 务 本 身 和 服 务 说 明两 个 产 品 展 开 。2 关 于 Web服 务 51 n Web服 务 的 运 行 机 理 ：l服 务 提 供 者 有 一 个 可 以 通 过 网 络 访 问 的 软 件 模块 ， 即 Web服 务 的 实 现 ， 并 为 此 Web服 务 定 义了 服 务 描 述 ， 并 把 它 发 布 给 服 务 的 请 求 者 或 服务 的 注 册 处 ；l服 务 请 求 者 用 查 找 操 作 从 本 地 或 注 册 处 得 到 服务 描 述 ， 并 使 用 描 述 中 的 信 息 与 服 务 提 供 者 实现 绑 定 ， 然 后 与 Web服 务 交 互 ， 调 用 其 中 的 操作 。l服 务 提 供 者 和 服 务 请 求 者 是 Web服 务 的 逻 辑 基础 ， 一 个 Web服 务 既 可 以 是 提 供 者 也 可 以 是 请求 者 。2 关 于 Web服 务 52 n 服 务 提 供 者l从 商 业 的 角 度 来 说 是 服 务 的 拥 有 者 ， 从 Web服务 的 架 构 来 说 是 拥 有 服 务 的 平 台 ；n 服 务 请 求 者l是 需 要 某 种 功 能 的 商 业 机 构 ， 从 商 业 的 角 度 来说 是 查 找 调 用 服 务 的 应 用 程 序 ， 包 括 人 使 用 的浏 览 器 ， 或 无 用 户 界 面 的 应 用 程 序 。n 服 务 注 册 处l从 Web服 务 的 架 构 来 说 是 供 服 务 提 供 者 发 布 服务 描 述 的 地 方 ， 供 请 求 者 找 到 服 务 以 及 与 服 务绑 定 的 信 息 ， 包 括 开 发 时 的 静 态 绑 定 和 运 行 时的 动 态 绑 定 。2 关 于 Web服 务 53 n Web服 务 开 发 的 生 命 周 期 ， 包 括 4个 阶 段 ：l创 建 ： 开 发 测 试 Web服 务 的 实 现 ， 包 括 服 务 接口 描 述 的 定 义 和 服 务 实 现 描 述 的 定 义 ；l安 装 ： 把 服 务 接 口 和 服 务 实 现 的 定 义 发 布 到 服务 请 求 者 或 服 务 注 册 处 ， 把 服 务 的 可 执 行 程 序放 到 Web服 务 器 的 可 执 行 环 境 中 ；l运 行 ： Web服 务 等 待 调 用 请 求 ， 被 不 同 的 请 求者 通 过 网 络 访 问 或 调 用 ， 服 务 请 求 者 此 时 可 以查 找 或 绑 定 操 作 。l管 理 ： 对 Web服 务 应 用 程 序 进 行 监 督 、 检 查 和控 制 ， 包 括 安 全 性 、 性 能 和 服 务 质 量 管 理 等 。2 关 于 Web服 务 54 客 户 机 /服 务 器 交 互 模 式1.3n 本 节 着 重 于 因 特 网 上 的 高 级 服 务 ， 以 及 提 供 这些 服 务 的 应 用 软 件 。n 讨 论 网 络 应 用 软 件 的 客 户 机 服 务 器 交 互 模 式， 并 说 明 网 络 协 议 操 作 的 方 式 为 什 么 需 要 这 种模 式 。n 这 是 构 筑 所 有 网 络 应 用 的 基 础 。 55 n因 特 网 仅 仅 提 供 一 个 通 用 的 通 信 构 架 ， 它 只 负 责传 送 信 息 ， 而 对 于 信 息 传 过 去 干 什 么 用 ， 利 用 因特 网 究 竟 提 供 什 么 服 务 ， 由 哪 些 计 算 机 来 运 行 这些 服 务 ， 如 何 确 定 服 务 的 存 在 ， 如 何 使 用 这 些 服务 等 等 问 题 ， 都 要 由 应 用 软 件 和 用 户 解 决 。n计 算 机 能 够 利 用 因 特 网 提 供 什 么 服 务 ？ 何 时 启 动这 些 服 务 ？ 都 需 要 高 层 应 用 软 件 及 用 户 解 决 。 56 n 网 络 应 用 进 程 通 信 时 ， 普 遍 采 用 客 户 机 服 务 器交 互 模 式 （ client-server paradigm of interaction） ， 简 称 C/S模 式 .n 这 是 因 特 网 上 应 用 程 序 最 常 用 的 通 信 模 式 。n C/S模 式 的 建 立 基 于 以 下 两 点 ：l 客 户 机 与 服 务 器 之 间 的 关 系 是 非 对 等 的 ， 服 务器 提 供 资 源 ， 客 户 机 请 求 共 享 这 些 资 源 ；l 网 间 进 程 通 信 是 完 全 异 步 的 ， 互 相 通 信 的 进 程间 既 不 存 在 父 子 关 系 ， 又 没 有 共 享 内 存 缓 冲 区， 需 要 一 种 机 制 为 二 者 间 的 数 据 交 换 提 供 同 步 . 57 1、 服 务 器 的 工 作 过 程n C/S模 式 过 程 中 服 务 器 处 于 被 动 服 务 的 地 位 。n 服 务 器 要 先 启 动 ， 并 根 据 客 户 机 请 求 提 供 相 应 服 务 ：l 打 开 一 通 信 通 道 ， 并 告 知 服 务 器 所 在 的 主 机 ，并 愿 意 在 某 一 公 认 的 地 址 上 （ 熟 知 知 端 口 ， 如FTP为 21） 接 收 客 户 机 请 求 。l 等 待 客 户 机 的 请 求 到 达 该 端 口 。l 服 务 器 接 收 到 服 务 请 求 ， 处 理 该 请 求 并 发 送 应答 信 号 。 为 了 能 并 发 地 接 收 多 个 客 户 机 的 服 务请 求 ， 要 激 活 一 个 新 进 程 或 新 线 程 来 处 理 这 个客 户 机 请 求 (如 UNIX系 统 中 用 fork、 exec)。 服务 完 成 后 ， 关 闭 此 新 进 程 与 客 户 机 的 通 信 链 路并 终 止 . l 返 回 第 二 步 ， 等 待 并 处 理 另 一 客 户 请 求 。l 在 特 定 的 情 况 下 ， 关 闭 服 务 器 。 58 2、 客 户 端 的 工 作 过 程n 客 户 方 采 取 的 是 主 动 请 求 方 式 ：l打 开 一 通 信 通 道 ， 并 连 接 到 服 务 器 所 在 主 机 的特 定 监 听 端 口 。l向 服 务 器 发 送 请 求 报 文 ， 等 待 并 接 收 应 答 ； 继续 提 出 请 求 ， 与 服 务 器 的 会 话 按 照 应 用 协 议 进行 。l请 求 结 束 后 ， 关 闭 通 信 通 道 并 终 止 。 59 表 1.2 一 些 常 见 的 网 络 应 用网 络 应 用 客 户 端 软 件 服 务 器 软 件 应 用 层 协 议电 子 邮 件 foxmail 电 子 邮 件 服 务 器 SMTP、 Pop3文 件 传 输 cutFTP 文 件 传 输 服 务 器 FTPWWW浏 览 IE浏 览 器 IIS服 务 器 HTTP 60 1.3.3 客 户 机 与 服 务 器 的 特 性n 客 户 端 软 件 的 特 点n 服 务 器 端 软 件 的 特 点n 基 于 因 特 网 的 C/S模 式 的 应 用 程 序 的 特 点 61 1.3.3 客 户 机 与 服 务 器 的 特 性1 客 户 端 软 件 特 点 在 进 行 网 络 通 信 时 临 时 成 为 客 户 机 ， 但 它 也 可 在 本地 进 行 其 他 的 计 算 。 被 用 户 调 用 ， 只 为 一 个 会 话 运 行 。 在 打 算 通 信 时 主动 向 远 地 服 务 器 发 起 通 信 。 能 访 问 所 需 的 多 种 服 务 ， 但 在 某 一 时 刻 只 能 与 一 个远 程 服 务 器 进 行 主 动 通 信 。 主 动 地 启 动 与 服 务 器 的 通 信 。 在 用 户 的 计 算 机 上 运 行 ， 不 需 要 特 殊 的 硬 件 和 很 复杂 的 操 作 系 统 。 62 2 服 务 器 软 件 的 特 点 是 一 种 专 门 用 来 提 供 某 种 服 务 的 程 序 ， 可 同 时 处理 多 个 远 地 客 户 机 的 请 求 。 当 系 统 启 动 时 即 自 动 调 用 ， 并 且 连 续 运 行 着 ， 不断 地 为 多 个 会 话 服 务 。 接 受 来 自 任 何 客 户 机 的 通 信 请 求 ， 但 只 提 供 一 种服 务 。 被 动 地 等 待 并 接 受 来 自 多 个 远 端 客 户 机 的 通 信 请求 。 在 共 享 计 算 机 上 运 行 ， 一 般 需 要 强 大 的 硬 件 和 高级 的 操 作 系 统 支 持 。1.3.3 客 户 机 与 服 务 器 的 特 性 63 3 基 于 因 特 网 的 C/S模 式 的 应 用 程 序 的 特 点 客 户 机 和 服 务 器 都 是 软 件 进 程 ， C/S模 式 是 网 络上 通 过 进 程 通 信 建 立 分 布 式 应 用 的 常 用 模 型 。 非 对 称 性 ： 服 务 器 通 过 网 络 提 供 服 务 ， 客 户 机 通过 网 络 使 用 服 务 ， 这 种 不 对 称 性 体 现 在 软 件 结 构和 工 作 过 程 上 。 对 等 性 ： 客 户 机 和 服 务 器 必 有 一 套 共 识 的 约 定 ，必 与 以 某 种 应 用 层 协 议 相 联 ， 并 且 协 议 必 须 在 通信 的 两 端 实 现 。 比 如 浏 览 器 和 3W服 务 器 就 都 基于 HTTP超 文 本 传 输 协 议 。 1.3.3 客 户 机 与 服 务 器 的 特 性 64 服 务 器 的 被 动 性 ： 服 务 器 必 须 先 行 启 动 ， 时 刻监 听 ， 日 夜 值 守 ， 及 时 服 务 ， 只 要 有 客 户 机 请求 ， 就 立 即 处 理 并 响 应 ， 回 传 信 息 。 但 决 不 主动 提 供 服 务 。 客 户 机 的 主 动 性 ： 客 户 机 可 以 随 时 提 出 请 求 ，通 过 网 络 得 到 服 务 ， 也 可 以 关 机 走 人 ， 一 次 请求 与 服 务 的 过 程 是 由 客 户 机 首 先 激 发 的 。 一 对 多 ： 一 个 服 务 器 可 以 为 多 个 客 户 机 服 务 ，客 户 机 也 可 以 打 开 多 个 窗 口 ， 连 接 多 个 服 务 器 。 分 布 性 与 共 享 性 ： 资 源 在 服 务 器 端 组 织 与 存 储 ，通 过 网 络 分 散 在 多 个 客 户 机 使 用 。1.3.3 客 户 机 与 服 务 器 的 特 性3 基 于 因 特 网 的 C/S模 式 的 应 用 程 序 的 特 点 65 1.3.4 容 易 混 淆 的 术 语1 服 务 器 程 序 与 服 务 器 类 计 算 机n 服 务 器 （ server） 这 个 术 语 来 指 那 些 运 行 着 的 服 务 程序 。n 服 务 器 类 计 算 机 （ server-class computer） 这 一 术 语来 称 呼 那 些 运 行 服 务 器 软 件 的 强 大 的 计 算 机 。 66图 1.10 用 户 、 客 户 机 、 服 务 器 、 服 务 器 类 计 算 机 2 客 户 机 与 用 户n “ 客 户 机 ” (client)和 服 务 器 都 指 的 是 应 用 进 程 ，即 计 算 机 软 件 。n “ 用 户 ” (user)指 的 是 使 用 计 算 机 的 人 。 1.3.4 容 易 混 淆 的 术 语 67 n 客 户 机 与 服 务 器 的 通 信 过 程 一 般 是 这 样 的 ： 通 信 之 前 ， 服 务 器 应 先 行 启 动 ， 并 通 知 它 的 下 层协 议 栈 做 好 接 收 客 户 机 请 求 的 准 备 ， 然 后 被 动 地等 待 客 户 机 的 通 信 请 求 ， 称 服 务 器 处 于 监 听 状 态 。 一 般 是 先 由 客 户 机 向 服 务 器 发 送 请 求 ， 服 务 器 向客 户 机 返 回 应 答 。 客 户 机 随 时 可 以 主 动 启 动 通 信 ，向 服 务 器 发 出 连 接 请 求 ， 服 务 器 接 收 这 个 请 求 ，建 立 了 二 者 的 通 信 关 系 。 客 户 机 与 服 务 器 的 通 信 关 系 一 旦 建 立 ， 客 户 机 和服 务 器 都 可 发 送 和 接 收 信 息 。 信 息 在 客 户 机 与 服务 器 之 间 可 以 沿 任 一 方 向 或 两 个 方 向 传 递 。 在 某些 情 况 下 ， 客 户 机 向 服 务 器 发 送 一 系 列 请 求 ， 服务 器 相 应 地 返 回 一 系 列 应 答 。 68 n 客 户 机 与 服 务 器 作 为 两 个 软 件 实 体 ， 它 们 之 间 的通 信 是 虚 拟 的 ， 是 概 念 上 的 ， 实 际 的 通 信 要 借 助下 层 的 网 络 协 议 栈 来 进 行 。n 网 络 应 用 进 程 与 应 用 层 协 议 间 的 关 系 ：l为 了 解 决 具 体 应 用 问 题 而 彼 此 通 信 的 进 程 ， 称为 网 络 应 用 进 程 ；l应 用 层 协 议 并 不 解 决 任 何 具 体 问 题 ， 而 是 规 定了 网 络 应 用 进 程 通 信 时 必 须 遵 守 的 约 定 。l应 用 层 协 议 在 网 络 应 用 进 程 之 下 ， 并 为 网 络 应用 进 程 服 务 ， 帮 助 应 用 进 程 组 织 数 据 。 69 n 在 C/S模 式 中 ， 存 在 着 三 种 一 个 与 多 个 的 关 系 ： 一 个 服 务 器 同 时 为 多 个 客 户 机 服 务 ； 一 个 用 户 的 计 算 机 上 同 时 运 行 多 个 连 接 不 同 服务 器 的 客 户 机 ； 一 个 服 务 器 类 的 计 算 机 同 时 运 行 多 个 服 务 器 。 70图 1.11 一 台 计 算 机 中 的 多 个 服 务 器 被 多 个 计 算 机 的 客 户 机 访 问 71 n 并 发 性 是 客 户 机 服 务 器 交 互 模 式 的 基 础 ， 并 发允 许 多 个 客 户 机 获 得 同 一 种 服 务 ， 而 不 必 等 待 服务 器 完 成 对 上 一 个 请 求 的 处 理 。 这 样 才 能 很 好 地同 时 为 多 个 客 户 机 提 供 服 务 。 72图 1.12 服 务 器 创 建 多 个 线 程 来 为 多 个 客 户 机 服 务 73 在 一 台 服 务 器 类 的 计 算 机 中 可 以 并 发 地 运 行 多个 服 务 器 进 程 。 它 们 都 要 借 助 协 议 栈 来 交 换 信 息 ，协 议 栈 就 是 多 个 服 务 器 进 程 传 输 数 据 的 公 用 通 道 ， 这 有 了 一 个 问 题 ， 既 然 在 一 个 服 务 器 类 计 算 机中 运 行 着 多 个 服 务 器 ， 如 何 能 让 客 户 机 无 二 义 性 地指 明 所 希 望 的 服 务 ？ 74图 1.13 沙 漏 计 时 器 形 状 的 TCP/IP协 议 族 75 n 这 个 问 题 由 传 输 协 议 栈 提 供 的 一 套 机 制 来 解 决 。n 这 种 机 制 必 须 赋 给 每 个 服 务 一 个 唯 一 的 标 识 ， 并要 求 服 务 器 和 客 户 机 都 使 用 这 个 标 识 。l当 服 务 器 开 始 执 行 时 ， 它 在 本 地 的 协 议 栈 软 件中 登 记 ， 指 明 它 所 提 供 的 服 务 的 标 识 。l当 客 户 机 与 远 程 服 务 器 通 信 时 ， 客 户 机 在 提 出请 求 时 ， 通 过 这 个 标 识 来 指 定 所 希 望 的 服 务 。l客 户 机 端 机 器 的 传 输 协 议 栈 软 件 将 该 标 识 传 给服 务 器 端 机 器 。l服 务 器 端 机 器 的 传 输 协 议 栈 则 根 据 该 标 识 来 决定 由 哪 个 服 务 器 程 序 来 处 理 这 个 请 求 。 。 76 P2P模 式 1.4n 随 着 应 用 规 模 的 不 断 扩 大 ， 软 件 复 杂 度 不 断 提 高 ， 面 对巨