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Go语言IP网络程序设计

IP 是 Internet 网络层的核心协议，它是一种不可靠的、无连接的通信协议。TCP、UDP 都是在 IP 的基础上实现的通信协议，所以 IP 属于一种底层协议，它可以直接对网络数据包 (Package) 进行处理。另外，通过 IP 用户还可以实现自己的网络服务协议。本节将详细讲解 IP 网络编程服务器、客户机的设计原理和设计过程。

IPAddr 地址结构体

在进行 IP 网络编程时，服务器或客户机的地址使用 IPAddr 地址结构体表示，IPAddr 结构体只有一个字段 IP，形式如下：

type IPAddr struct {
IP IP
}

通过了解 IPAddr 地址结构可以发现，IP 网络编程属于一种底层网络程序设计，它可以直接对 IP 包进行处理，所以 IPAddr 地址中没有端口地址，这个和 TCPAddr 地址结构、UDPAddr 地址结构都不同，在应用时要特别注意。

函数 ResolveIPAddr() 可以把网络地址转换为 IPAddr 地址结构，该函数原型定义如下：

func ResolveIPAddr(net, addr string) (*IPAddr, error)

在调用 ResolveIPAddr() 函数时，参数 net 表示网络类型，可以是“ip”、“ip4”或“ip6”，参数 addr 是 IP 地址或域名，如果是 IPv6 地址则必须使用“[]”括起来。

函数 ResolveIPAddr() 调用成功后返回一个指向 IPAddr 结构体的指针，否则返回一个错误类型。

另外，IPAddr 地址对象还有两个方法：Network() 和 String()。Network() 方法用于返回 IPAddr 地址对象的网络协议名，比如“ip”；String() 方法可以将 IPAddr 地址转换成字符串形式。这两个方法原型定义如下：

func (a *IPAddr) Network() string
func (a *IPAddr) String() string

IPConn 对象

在进行 IP 网络编程时，客户机和服务器之间是通过 IPConn 对象实现连接的，IPConn 是 Conn 接口的实现。IPConn 对象绑定了服务器的网络协议和地址信息，IPConn 对象定义如下：

type IPConn struct {
//空结构
}

由于 IPConn 是一个无连接的通信对象，所以 IPConn 对象提供了 ReadFromIP() 方法和 WriteToIP() 方法用于在客户机和服务器之间进行数据收发操作。ReadFromIP() 和 WriteToIP() 的原型定义如下：

func (c *IPConn) ReadFromIP(b []byte) (int, *IPAddr, error)
func (c *IPConn) WriteToIP(b []bytez addr *IPAddr) (int, error)

ReadFromIP() 方法调用成功后返回接收字节数和发送方地址，否则返回一个错误类型；WriteToIP() 方法调用成功后返回发送字节数，否则返回一个错误类型。

IP 服务器设计

由于工作在网络层，ip 服务器并不需要在一个指定的端口上和客户机进行通信连接，IP 服务器的工作过程如下：

1) IP 服务器使用指定的协议簇和协议，调用 ListenIP() 函数创建一个 IPConn 连接对象，并在该对象和客户机间建立不可靠连接。

2) 如果服务器和某个客户机建立了 IPConn 连接，就可以使用该对象的 ReadFromIP() 方法和 WriteToIP() 方法相互通信了。

3) 如果通信结束，服务器还可以调用 Close() 方法关闭 IPConn 连接。

函数 ListenIP() 原型定义如下：

func ListenIP(netProto string, laddr *IPAddr) (*IPConn, error)

在调用函数 ListenIP() 时，参数 netProto 是“网络类型+协议名”或“网络类型+协议号”，中间用“:”隔开，比如“IP4:IP”或“IP4:4”。参数 laddr 是服务器本地地址，可以是任意活动的主机地址，或者是内部测试地址“127.0.0.1”。该函数调用成功，返回一个 IPConn 对象；调用失败，返回一个错误类型。

【示例 1】IP Server 端设计，服务器使用本地主机地址，调用 Hostname() 函数获取。服务器设计工作模式采用循环服务器，对每一个连接请求调用线程 handleClient 来处理。

// IP Server 端设计
package main

import(
    "fmt"
    "net"
    "os"
)
func main() {
    name, err := os.Hostname()
    checkError(err)
    ipAddr, err := net.ResolveIPAddr("ip4", name)
    checkError(err)
    fmt.Println(ipAddr)
    conn, err := net.ListenIP("ip4:ip", ipAddr)
    checkError(err)
    for {
        handleClient(conn)
    }
}
func handleClient(conn *net.IPConn) {
    var buf [512]byte
    n, addr, err := conn.ReadFromIP(buf[0:])
    if err != nil {
        return
    }
    fmt.Println("Receive from client", addr.String(), string(buf[0:n]))
    conn.WriteToIP([]byte("Welcome Client!"), addr)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

IP 客户机设计

在 ip 网络编程中，客户机工作过程如下：

1) IP 客户机在获取了服务器的网络地址之后，可以调用 DialIP() 函数向服务器发出连接请求，如果请求成功会返回 IPConn 对象。

2) 如果连接成功，客户机可以直接调用 IPConn 对象的 ReadFromIP() 方法或 WriteToIP() 方法，与服务器进行通信活动。

3) 通信完成后，客户机调用 Close() 方法关闭 IPConn 连接，断开通信链路。

函数 DialIP() 原型定义如下：

func DialIP (netProto string, laddr, raddr *IPAddr) (*IPConn, error)

在调用函数 DialIP() 时，参数 netProto 是“网络类型+协议名”或“网络类型+协议号”，中间用“:”隔开，比如“IP4:IP”或“IP4:4”。参数 laddr 是本地主机地址，可以设为 nil。参数 raddr 是对方主机地址，必须指定不能省略。函数调用成功后，返回 IPConn 对象；调用失败，返回一个错误类型。

方法 Close() 的原型定义如下：

func (c *IPConn) Close() error

该方法调用成功后，关闭 IPConn 连接；调用失败，返回一个错误类型。

【示例 2】IP Client 端设计，客户机通过内部测试地址“127.0.0.1”和服务器建立通信连接，服务器主机地址可以使用 Hostname() 函数获取。

// IP Client端设计
package main

import(
    "fmt"
    "net"
    "os"
)
func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host:port", os.Args[0])
    }
    service := os.Args[1]
    lAddr, err := net.ResolveIPAddr("ip4", service)
    checkError(err)
    name, err := os.Hostname()
    checkError(err)
    rAddr, err := net.ResolveIPAddr("ip4", name)
    checkError(err)
    conn, err := net.DialIP("ip4:ip", lAddr, rAddr)
    checkError(err)
    _, err = conn.WriteToIP([]byte("Hello Server!"), rAddr)
    checkError(err)
    var buf [512]byte
    n, addr, err := conn.ReadFromIP(buf[0:])
    checkError(err)
    fmt.Println("Reply form server", addr.String(), string(buf[0:n]))
    conn.Close()
    os.Exit(0)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

编译并运行服务器端和客户端，测试过程如下：

启动服务器：go run .\main.go
客戶机连接：go run .\client.go 127.0.0.1
服务器响应：Receive from client 127.0.0.1 Hello Server!
客户机接收：Reply form server 192.168.1.104 Welcome Client!

通过测试结果可以看出，TCP、UDP 的服务器和客户机通信时必须使用端口号，而 IP 服务器和客户机之间通信不需要端口号。另外，如果在同一台计算机上，服务器、客户机要使用不同的地址进行测试，比如本例服务器地址是“192.168.1.104”，客户机使用内部测试地址“127.0.0.1”。

如果使用相同的地址，会发生自发自收的现象，原因是 IP 是底层通信，并没有像 TCP、UDP 那样使用端口号来区分不同的通信进程。

Ping 程序设计

不管是 UNIX 还是 Windows 系统中都有一个 Ping 命令，利用它可以检查网络是否连通，分析判断网络故障。Ping 会向目标主机发送测试数据包，看对方是否有响应并统计响应时间，以此测试网络。

Ping 命令的这些功能是使用 IP 层的 ICMP 实现的，在测试过程中，源主机向目标主机发送回显请求报文（ICMP_ECHO_REQUEST,type = 8, code = 0），目的主机返回回显响应报文（ICMP_ECHO_REPLY,type = 0, code = 0），相关的数据包格式如下图所示。

图：ICMP 回显请求和响应数据包格式

其中，标识符是源主机的进程号，序列码用来标识发出回显请求的次序，时间戳表示数据包发出的时刻，通过比较回显响应时刻和源主机当前时刻的差值，可以测出 ICMP 数据包的往返时间。

【示例 3】使用原始套接字和 ICMP 设计 Ping 程序，函数 makePingRequest() 的功能是生成 ICMP 请求包，函数 parsePingReply() 用于解析目标主机发回的响应包，函数 elapsedTime() 的功能是计算 ICMP 数据包往返时间。

// Ping 程序
package main

import(
    "bytes"
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)
const(
    ICMP_ECHO_REQUEST = 8
    ICMP_ECHO_REPLY = 0
)
func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host", os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }
    dst := os.Args[1]
    raddr, err := net.ResolveIPAddr("ip4",dst)
    checkError(err)
    ipconn, err := net.DialIP("ip4:icmp", nil, raddr)
    checkError(err)
    sendid := os.Getpid() & 0xfff
    sendseq := 1
    pingpktlen := 64
    for {
        sendpkt := makePingRequest(sendid, sendseq, pingpktlen, []byte(""))
        start := int64(time.Now().Nanosecond())
        _, err := ipconn.WriteToIP(sendpkt, raddr)
        checkError(err)
        resp := make([]byte, 1024)
        for {
            n, from, err := ipconn.ReadFrom(resp)
            checkError(err)
            fmt.Printf("%d bytes from %s: icmp_req = %d time = %.2f ms\n", n, from, sendseq, elapsedTime(start))
            if resp[0] != ICMP_ECHO_REPLY {
                continue
            }
            rcvid, rcvseq := parsePingReply(resp)
            if rcvid != sendid || rcvseq != sendseq {
                fmt.Printf("Ping reply saw id", rcvid, rcvseq, sendid, sendseq)
            }
            break
        }
        if sendseq == 4 {
            break
        } else {
            sendseq++
        }
        time.Sleep(1e9)
    }
}
func makePingRequest(id, seq, pktlen int, filler []byte) []byte {
    p := make([]byte, pktlen)
    copy(p[8:], bytes.Repeat(filler,(pktlen - 8)/len(filler) + 1))
    p[0] = ICMP_ECHO_REQUEST    // type
    p[1] = 0                    // cksum
    p[2] = 0                    // cksum
    p[3] = 0                    // id
    p[4] = uint8(id >> 8)       // id  
    p[5] = uint8(id & 0xff)     // id  
    p[6] = uint8(seq >> 8)      // sequence
    p[7] = uint8(seq & 0xff)    // sequence
    cklen := len(p)
    s := uint32(0)
    for i := 0; i < (cklen - 1); i += 2 {
        s += uint32 (p[i + 1]) << 8 | uint32(p[i])
    }
    if cklen & 1 == 1 {
        s += uint32(p[cklen - 1])
    }
    s = (s >> 16) + (s & 0xffff)
    s = s + (s >> 16)
    p[2] ^= uint8(^s & 0xff)
    p[3] ^= uint8(^s >> 8)
    return  p
}
func parsePingReply(p []byte) (id, seq int) {
    id = int(p[4]) << 8 | int(p[5])
    seq = int(p[6]) << 8 | int(p[7])
    return
}
func elapsedTime(start int64) float32 {
    t := float32((int64(time.Now().Nanosecond()) - start) / 1000000.0)
    return t
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf (os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }  
}

编译并运行Ping程序，测试结果如下：

Ping www.sina.com.cn
64 bytes from 218.30.66.101: icmp_req = 1 time = 15 ms
64 bytes from 218.30.66.101: icmp_req = 2 time = 12 ms
64 bytes from 218.30.66.101: icmp_req = 3 time = 15 ms
64 bytes from 218.30.66.101: icmp_req = 4 time = 15 ms
Ping www.google.com.hk
64 bytes from 125.76.239.243: icmp_req = 1 time = 31 ms
64 bytes from 125.76.239.243: icmp_req = 2 time = 15 ms
64 bytes from 125.76.239.243: icmp_req = 3 time = 23 ms
64 bytes from 125.76.239.243: icmp_req = 4 time = 15 ms

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