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操作系统/09_网络编程基础/09_网络编程基础.md

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+# 第09讲：网络编程
+
+> 🎯 **本节目标**：掌握 Socket 编程，理解客户端-服务器模型
+
+## 📋 前置知识
+- [[04_文件IO编程]] — 文件描述符的概念
+- [[06_进程控制]] — 进程创建
+
+---
+
+## 🤔 为什么需要这个？
+
+你每天都在使用网络：浏览网页、发送消息、观看视频。但你有没有想过：
+- 浏览器是怎么从服务器获取网页的？
+- 两台电脑之间是怎么通信的？
+
+**网络编程**就是让你能够编写这样的程序。
+
+**生活比喻**：
+- **Socket** = 电话插座
+- **服务器** = 客服中心（等待来电）
+- **客户端** = 拨打电话的用户
+- **端口** = 分机号
+
+---
+
+## 📖 核心概念
+
+### 1. 客户端-服务器模型
+
+```mermaid
+sequenceDiagram
+    participant 客户端
+    participant 服务器
+
+    服务器->>服务器: socket() 创建套接字
+    服务器->>服务器: bind() 绑定地址
+    服务器->>服务器: listen() 监听连接
+    服务器->>服务器: accept() 等待连接
+
+    客户端->>客户端: socket() 创建套接字
+    客户端->>服务器: connect() 发起连接
+
+    服务器->>客户端: 连接建立
+
+    客户端->>服务器: send() 发送数据
+    服务器->>客户端: recv() 接收数据
+    服务器->>客户端: send() 发送响应
+    客户端->>服务器: recv() 接收响应
+
+    客户端->>客户端: close() 关闭连接
+    服务器->>服务器: close() 关闭连接
+```
+
+### 2. Socket 编程流程
+
+```mermaid
+graph TD
+    subgraph 服务器端
+        A1[socket] --> A2[bind]
+        A2 --> A3[listen]
+        A3 --> A4[accept]
+        A4 --> A5[read/write]
+        A5 --> A6[close]
+    end
+    subgraph 客户端
+        B1[socket] --> B2[connect]
+        B2 --> B3[write/read]
+        B3 --> B4[close]
+    end
+
+    style A1 fill:#e8f5e9
+    style B1 fill:#e1f5fe
+```
+
+**核心函数**：
+| 函数 | 作用 | 服务器/客户端 |
+|------|------|:---:|
+| `socket()` | 创建套接字 | 都需要 |
+| `bind()` | 绑定地址和端口 | 服务器 |
+| `listen()` | 开始监听 | 服务器 |
+| `accept()` | 接受连接 | 服务器 |
+| `connect()` | 发起连接 | 客户端 |
+| `send()` | 发送数据 | 都需要 |
+| `recv()` | 接收数据 | 都需要 |
+| `close()` | 关闭连接 | 都需要 |
+
+### 3. IP 地址与端口
+
+```mermaid
+graph LR
+    A[计算机] -->|IP地址| B[192.168.1.100]
+    A -->|端口| C[:80]
+    B --> D[唯一标识一台电脑]
+    C --> E[唯一标识一个服务]
+
+    style B fill:#e1f5fe
+    style C fill:#e8f5e9
+```
+
+**常见端口**：
+| 端口 | 服务 | 说明 |
+|:---:|------|------|
+| 22 | SSH | 远程登录 |
+| 80 | HTTP | 网页浏览 |
+| 443 | HTTPS | 安全网页 |
+| 3306 | MySQL | 数据库 |
+| 8080 | HTTP备用 | 开发常用 |
+
+### 4. 字节序
+
+不同 CPU 存储多字节数据的方式不同：
+
+```mermaid
+graph LR
+    A[0x12345678] --> B[大端序 Big-endian]
+    A --> C[小端序 Little-endian]
+
+    B --> B1[12 34 56 78]
+    C --> C1[78 56 34 12]
+
+    style B fill:#e1f5fe
+    style C fill:#e8f5e9
+```
+
+**网络字节序**：大端序（Big-endian）
+
+**转换函数**：
+```c
+htonl()  // host to network long
+htons()  // host to network short
+ntohl()  // network to host long
+ntohs()  // network to host short
+```
+
+### 5. DNS 域名解析
+
+```mermaid
+graph LR
+    A[www.example.com] -->|DNS查询| B[DNS服务器]
+    B -->|返回IP| C[93.184.216.34]
+    C -->|连接| D[Web服务器]
+
+    style A fill:#e1f5fe
+    style C fill:#e8f5e9
+```
+
+---
+
+## 💻 动手实践
+
+### 示例1：查询主机信息
+
+```c
+// hostinfo.c - 查询主机信息
+#include "wrapper.h"
+
+int main(int argc, char **argv) {
+    char **pp;
+    struct in_addr addr;
+    struct hostent *hostp;
+
+    if (argc != 2) {
+        fprintf(stderr, "usage: %s <domain name or dotted-decimal>\n", argv[0]);
+        exit(0);
+    }
+
+    // 判断是域名还是IP地址
+    if (inet_aton(argv[1], &addr) != 0)
+        hostp = Gethostbyaddr((const char *)&addr, sizeof(addr), AF_INET);
+    else
+        hostp = Gethostbyname(argv[1]);
+
+    // 打印主机信息
+    printf("official hostname: %s\n", hostp->h_name);
+
+    for (pp = hostp->h_aliases; *pp != NULL; pp++)
+        printf("alias: %s\n", *pp);
+
+    for (pp = hostp->h_addr_list; *pp != NULL; pp++) {
+        addr.s_addr = *((unsigned int *)*pp);
+        printf("address: %s\n", inet_ntoa(addr));
+    }
+    exit(0);
+}
+```
+
+**编译运行**：
+```bash
+gcc -o hostinfo hostinfo.c -L. -lwrapper
+./hostinfo www.baidu.com
+```
+
+**预期输出**：
+```
+official hostname: www.a.shifen.com
+alias: www.baidu.com
+address: 110.242.68.66
+address: 110.242.68.3
+```
+
+### 示例2：TCP 服务器（大小写转换）
+
+```c
+// toggle.c - TCP 服务器
+#include "wrapper.h"
+
+void toggle(int conn_sock) {
+    size_t n;
+    int i;
+    char buf[MAXLINE];
+
+    while ((n = recv(conn_sock, buf, MAXLINE, 0)) > 0) {
+        printf("toggle server received %d bytes\n", n);
+
+        // 转换大小写
+        for (i = 0; i < n; i++)
+            if (isupper(buf[i]))
+                buf[i] = tolower(buf[i]);
+            else if (islower(buf[i]))
+                buf[i] = toupper(buf[i]);
+
+        send(conn_sock, buf, n, 0);
+    }
+}
+```
+
+### 示例3：TCP 客户端
+
+```c
+// togglec.c - TCP 客户端
+#include "wrapper.h"
+
+int main(int argc, char **argv) {
+    int client_sock, port;
+    char *host, buf[MAXLINE];
+    rio_t rio;
+
+    if (argc != 3) {
+        fprintf(stderr, "usage: %s <host> <port>\n", argv[0]);
+        exit(1);
+    }
+    host = argv[1];
+    port = atoi(argv[2]);
+
+    // 连接服务器
+    client_sock = open_client_sock(host, port);
+
+    // 从标准输入读取，发送到服务器，接收响应
+    while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
+        send(client_sock, buf, strlen(buf), 0);
+        recv(client_sock, buf, MAXLINE, 0);
+        fputs(buf, stdout);
+    }
+
+    close(client_sock);
+    exit(0);
+}
+```
+
+**编译运行**：
+```bash
+# 编译
+gcc -o toggle toggle.c -L. -lwrapper
+gcc -o togglec togglec.c -L. -lwrapper
+
+# 终端1：启动服务器
+./toggle 8080
+
+# 终端2：启动客户端
+./togglec localhost 8080
+Hello World    # 输入
+HELLO WORLD    # 输出（大小写转换）
+```
+
+---
+
+## 🔗 知识关联
+- Socket 是文件描述符，详见 [[04_文件IO编程]]
+- 并发服务器在 [[10_并发服务器]] 中有详细讲解
+- 网络编程在 [[实验05_Linux网络通信编程]] 中有实践练习
+
+---
+
+## 📝 思考题
+
+1. **TCP vs UDP**：什么时候用 TCP，什么时候用 UDP？
+2. **为什么需要字节序转换？** 如果不转换会怎样？
+3. **服务器为什么需要 bind()？** 客户端为什么不需要？
+
+---
+
+## 📚 扩展阅读
+- 《UNIX网络编程》第1卷：套接字联网API
+- [Beej's Guide to Network Programming](https://beej.us/guide/bgnet/)
+- [Socket 编程详解](https://www.cs.rpi.edu/~moorthy/Courses/os98/Pggrams/socket.html)