Go語言IP網路程式設計

IP 是 Internet 網路層的核心協定，它是一種不可靠的、無連線的通訊協定。TCP、UDP 都是在 IP 的基礎上實現的通訊協定，所以 IP 屬於一種底層協定，它可以直接對網路封包 (Package) 進行處理。另外，通過 IP 使用者還可以實現自己的網路服務協定。本節將詳細講解 IP 網路程式設計伺服器、客戶機的設計原理和設計過程。

IPAddr 地址結構體

在進行 IP 網路程式設計時，伺服器或客戶機的地址使用 IPAddr 地址結構體表示，IPAddr 結構體只有一個欄位 IP，形式如下：

type IPAddr struct {
    IP IP
}

通過了解 IPAddr 地址結構可以發現，IP 網路程式設計屬於一種底層網路程式設計，它可以直接對 IP 包進行處理，所以 IPAddr 地址中沒有埠地址，這個和 TCPAddr 地址結構、UDPAddr 地址結構都不同，在應用時要特別注意。

函數 ResolveIPAddr() 可以把網路地址轉換為 IPAddr 地址結構，該函數原型定義如下：

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

在呼叫 ResolveIPAddr() 函數時，引數 net 表示網路型別，可以是“ip”、“ip4”或“ip6”，引數 addr 是 IP 地址或域名，如果是 IPv6 地址則必須使用“[]”括起來。

函數 ResolveIPAddr() 呼叫成功後返回一個指向 IPAddr 結構體的指標，否則返回一個錯誤型別。

另外，IPAddr 地址物件還有兩個方法：Network() 和 String()。Network() 方法用於返回 IPAddr 地址物件的網路協定名，比如“ip”；String() 方法可以將 IPAddr 地址轉換成字串形式。這兩個方法原型定義如下：

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

IPConn 物件

在進行 IP 網路程式設計時，客戶機和伺服器之間是通過 IPConn 物件實現連線的，IPConn 是 Conn 介面的實現。IPConn 物件系結了伺服器的網路協定和地址資訊，IPConn 物件定義如下：

type IPConn struct {
    //空結構
}

由於 IPConn 是一個無連線的通訊物件，所以 IPConn 物件提供了 ReadFromIP() 方法和 WriteToIP() 方法用於在客戶機和伺服器之間進行資料收發操作。ReadFromIP() 和 WriteToIP() 的原型定義如下：

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

ReadFromIP() 方法呼叫成功後返回接收位元組數和傳送方地址，否則返回一個錯誤型別；WriteToIP() 方法呼叫成功後返回傳送位元組數，否則返回一個錯誤型別。

IP 伺服器設計

由於工作在網路層，ip 伺服器並不需要在一個指定的埠上和客戶機進行通訊連線，IP 伺服器的工作過程如下：

1) IP 伺服器使用指定的協定簇和協定，呼叫 ListenIP() 函數建立一個 IPConn 連線物件，並在該物件和客戶機間建立不可靠連線。

2) 如果伺服器和某個客戶機建立了 IPConn 連線，就可以使用該物件的 ReadFromIP() 方法和 WriteToIP() 方法相互通訊了。

3) 如果通訊結束，伺服器還可以呼叫 Close() 方法關閉 IPConn 連線。

函數 ListenIP() 原型定義如下：

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

在呼叫函數 ListenIP() 時，引數 netProto 是“網路型別+協定名”或“網路型別+協定號”，中間用“:”隔開，比如“IP4:IP”或“IP4:4”。引數 laddr 是伺服器本地地址，可以是任意活動的主機地址，或者是內部測試地址“127.0.0.1”。該函數呼叫成功，返回一個 IPConn 物件；呼叫失敗，返回一個錯誤型別。

【範例 1】IP Server 端設計，伺服器使用本地主機地址，呼叫 Hostname() 函數獲取。伺服器設計工作模式採用迴圈伺服器，對每一個連線請求呼叫執行緒 handleClient 來處理。

// IP Server 端設計
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 客戶機設計

在 ip 網路程式設計中，客戶機工作過程如下：

1) IP 客戶機在獲取了伺服器的網路地址之後，可以呼叫 DialIP() 函數向伺服器發出連線請求，如果請求成功會返回 IPConn 物件。

2) 如果連線成功，客戶機可以直接呼叫 IPConn 物件的 ReadFromIP() 方法或 WriteToIP() 方法，與伺服器進行通訊活動。

3) 通訊完成後，客戶機呼叫 Close() 方法關閉 IPConn 連線，斷開通訊鏈路。

函數 DialIP() 原型定義如下：

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

在呼叫函數 DialIP() 時，引數 netProto 是“網路型別+協定名”或“網路型別+協定號”，中間用“:”隔開，比如“IP4:IP”或“IP4:4”。引數 laddr 是本地主機地址，可以設為 nil。引數 raddr 是對方主機地址，必須指定不能省略。函數呼叫成功後，返回 IPConn 物件；呼叫失敗，返回一個錯誤型別。

方法 Close() 的原型定義如下：

func (c *IPConn) Close() error

該方法呼叫成功後，關閉 IPConn 連線；呼叫失敗，返回一個錯誤型別。

【範例 2】IP Client 端設計，客戶機通過內部測試地址“127.0.0.1”和伺服器建立通訊連線，伺服器主機地址可以使用 Hostname() 函數獲取。

// IP Client端設計
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)
    }
}

編譯並執行伺服器端和用戶端，測試過程如下：

啟動伺服器：go run .main.go
客戶機連線：go run .client.go 127.0.0.1
伺服器響應：Receive from client 127.0.0.1 Hello Server!
客戶機接收：Reply form server 192.168.1.104 Welcome Client!

通過測試結果可以看出，TCP、UDP 的伺服器和客戶機通訊時必須使用埠號，而 IP 伺服器和客戶機之間通訊不需要埠號。另外，如果在同一台計算機上，伺服器、客戶機要使用不同的地址進行測試，比如本例伺服器地址是“192.168.1.104”，客戶機使用內部測試地址“127.0.0.1”。

如果使用相同的地址，會發生自發自收的現象，原因是 IP 是底層通訊，並沒有像 TCP、UDP 那樣使用埠號來區分不同的通訊進程。

Ping 程式設計

不管是 UNIX 還是 Windows 系統中都有一個 Ping 命令，利用它可以檢查網路是否連通，分析判斷網路故障。Ping 會向目標主機傳送測試封包，看對方是否有響應並統計響應時間，以此測試網路。

Ping 命令的這些功能是使用 IP 層的 ICMP 實現的，在測試過程中，源主機向目標主機傳送回顯請求報文（ICMP_ECHO_REQUEST,type = 8, code = 0），目的主機返回回顯響應報文（ICMP_ECHO_REPLY,type = 0, code = 0），相關的封包格式如下圖所示。

---