编程与数学 03-002 计算机网络 16_网络编程基础

明月看潮生2025-08-01 10:40

编程与数学 03-002 计算机网络 16_网络编程基础

摘要：本文是计算机网络课程中关于网络编程基础的学习笔记。网络编程涵盖客户端与服务器模型、套接字编程、基于TCP和UDP的网络编程。客户端与服务器模型是常见网络应用架构，客户端请求服务，服务器提供服务。套接字是网络编程基础，用于实现通信，分为流式、数据报和原始套接字。基于TCP的编程提供可靠连接服务，基于UDP的编程提供无连接服务，适用于实时应用。通过学习这些内容，可深入理解网络编程概念和方法，为网络应用开发打下基础。
关键词：网络编程、客户端与服务器、套接字、TCP、UDP、实时应用
人工智能助手：Kimi

一、网络编程的基本概念

（一）客户端与服务器模型

  1. 定义

    • 客户端与服务器模型是一种常见的网络应用架构，其中客户端是请求服务的一方，服务器是提供服务的一方。客户端通过网络向服务器发送请求，服务器处理请求后返回响应。

  2. 特点

    • 客户端：客户端是用户使用的应用程序，如Web浏览器、邮件客户端等。客户端的主要功能是向服务器发送请求，并接收服务器的响应。
    • 服务器：服务器是提供服务的计算机，如Web服务器、邮件服务器等。服务器的主要功能是接收客户端的请求，并处理请求后返回响应。
    • 通信方式：客户端与服务器之间的通信通常通过套接字（Socket）进行，套接字是网络编程中的基本概念，用于实现网络通信。

（二）套接字（Socket）编程的基本原理

  1. 定义

    • 套接字（Socket）是网络编程中的基本概念，用于实现网络通信。套接字提供了一种抽象的接口，使得应用程序可以通过套接字进行网络通信。

  2. 类型

    • 流式套接字（SOCK_STREAM）：流式套接字用于TCP协议，提供可靠的、面向连接的通信服务。
    • 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：数据报套接字用于UDP协议，提供不可靠的、无连接的通信服务。
    • 原始套接字（SOCK_RAW）：原始套接字用于直接访问网络层协议，如IP协议。原始套接字通常用于网络协议的开发和调试。

  3. 工作过程

    • 创建套接字 ：通过调用socket()函数创建套接字。
    • 绑定地址 ：通过调用bind()函数将套接字绑定到一个地址和端口。
    • 监听连接 ：对于TCP套接字，通过调用listen()函数监听连接请求。
    • 接受连接 ：对于TCP套接字，通过调用accept()函数接受连接请求。
    • 发送和接收数据 ：通过调用send()和recv()函数发送和接收数据。
    • 关闭套接字 ：通过调用close()函数关闭套接字。

二、基于TCP的网络编程

（一）TCP套接字的创建与使用

  1. 创建TCP套接字

    • 通过调用socket()函数创建TCP套接字：

      c 复制代码 
      int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

      其中，AF_INET表示使用IPv4地址族，SOCK_STREAM表示使用TCP协议。

  2. 绑定地址

    • 通过调用bind()函数将套接字绑定到一个地址和端口：

      c 复制代码 
      struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

      其中，port是服务器的端口号，INADDR_ANY表示绑定到所有可用的网络接口。

  3. 监听连接

    • 通过调用listen()函数监听连接请求：

      c 复制代码 
      listen(sockfd, backlog);

      其中，backlog是未完成连接队列的最大长度。

  4. 接受连接

    • 通过调用accept()函数接受连接请求：

      c 复制代码 
      int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);

      其中，clientfd是接受连接后返回的客户端套接字，client_addr是客户端的地址信息，client_len是客户端地址信息的长度。

  5. 发送和接收数据

    • 通过调用send()和recv()函数发送和接收数据：

      c 复制代码 
      send(clientfd, data, size, 0);
recv(clientfd, buffer, size, 0);

      其中，data是要发送的数据，size是数据的大小，buffer是接收数据的缓冲区。

  6. 关闭套接字

    • 通过调用close()函数关闭套接字：

      c 复制代码 
      close(sockfd);
close(clientfd);

（二）示例程序（如简单的聊天程序）

  1. 服务器端代码

    c 复制代码 
    #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    int sockfd, clientfd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_len;
    char buffer[1024];

    // 创建TCP套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 绑定地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind");
        close(sockfd);
        exit(1);
    }

    // 监听连接
    if (listen(sockfd, 5) < 0) {
        perror("listen");
        close(sockfd);
        exit(1);
    }

    printf("Server is listening on port 8080...\n");

    // 接受连接
    client_len = sizeof(client_addr);
    clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
    if (clientfd < 0) {
        perror("accept");
        close(sockfd);
        exit(1);
    }

    printf("Client connected: %s:%d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

    // 通信循环
    while (1) {
        // 接收客户端数据
        int n = recv(clientfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
        if (n < 0) {
            perror("recv");
            break;
        } else if (n == 0) {
            printf("Client disconnected\n");
            break;
        }

        buffer[n] = '\0';
        printf("Received from client: %s\n", buffer);

        // 发送数据到客户端
        send(clientfd, buffer, strlen(buffer), 0);
    }

    // 关闭套接字
    close(clientfd);
    close(sockfd);

    return 0;
}

  2. 客户端代码

    c 复制代码 
    #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[1024];

    // 创建TCP套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 设置服务器地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

    // 连接到服务器
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect");
        close(sockfd);
        exit(1);
    }

    printf("Connected to server at 127.0.0.1:8080\n");

    // 通信循环
    while (1) {
        // 从用户输入数据
        printf("Enter message: ");
        fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);
        buffer[strcspn(buffer, "\n")] = '\0';

        // 发送数据到服务器
        send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0);

        // 接收服务器响应
        int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
        if (n < 0) {
            perror("recv");
            break;
        } else if (n == 0) {
            printf("Server disconnected\n");
            break;
        }

        buffer[n] = '\0';
        printf("Received from server: %s\n", buffer);
    }

    // 关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

三、基于UDP的网络编程

（一）UDP套接字的创建与使用

  1. 创建UDP套接字

    • 通过调用socket()函数创建UDP套接字：

      c 复制代码 
      int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

      其中，AF_INET表示使用IPv4地址族，SOCK_DGRAM表示使用UDP协议。

  2. 绑定地址

    • 通过调用bind()函数将套接字绑定到一个地址和端口：

      c 复制代码 
      struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

      其中，port是服务器的端口号，INADDR_ANY表示绑定到所有可用的网络接口。

  3. 发送和接收数据

    • 通过调用sendto()和recvfrom()函数发送和接收数据：

      c 复制代码 
      sendto(sockfd, data, size, 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
recvfrom(sockfd, buffer, size, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);

      其中，data是要发送的数据，size是数据的大小，buffer是接收数据的缓冲区，server_addr是服务器的地址信息，client_addr是客户端的地址信息，client_len是客户端地址信息的长度。

  4. 关闭套接字

    • 通过调用close()函数关闭套接字：

      c 复制代码 
      close(sockfd);

（二）UDP编程的特点与应用场景

  1. 特点

    • 无连接：UDP协议是无连接的，发送方在发送数据前不需要建立连接，接收方在接收数据前也不需要建立连接。这使得UDP协议的开销较小，适合对实时性要求较高的应用。
    • 不可靠：UDP协议不提供可靠传输机制，不保证数据的正确传输。如果数据在传输过程中丢失或出错，UDP协议不会进行重传。
    • 简单：UDP协议的实现相对简单，协议开销较小，适合对实时性要求较高的应用，如视频会议、音频广播等。
    • 支持多播：UDP协议支持多播通信，可以向多个目标地址同时发送数据。

  2. 应用场景

    • 实时应用：UDP协议适合对实时性要求较高的应用，如视频会议、音频广播等。这些应用对数据的实时性要求较高，允许一定程度的数据丢失。
    • 简单应用：UDP协议适合实现简单的网络应用，如DNS查询、SNMP等。这些应用对协议的开销要求较低，不需要复杂的可靠传输机制。
    • 多播应用：UDP协议支持多播通信，适合向多个目标地址同时发送数据的应用，如多播视频会议、多播音频广播等。

四、总结

网络编程是计算机网络中的重要组成部分，涉及客户端与服务器模型、套接字编程、基于TCP的网络编程和基于UDP的网络编程等多个方面。客户端与服务器模型是一种常见的网络应用架构，客户端通过网络向服务器发送请求，服务器处理请求后返回响应。套接字是网络编程中的基本概念，用于实现网络通信。基于TCP的网络编程通过创建TCP套接字，实现可靠的、面向连接的通信服务；基于UDP的网络编程通过创建UDP套接字，实现不可靠的、无连接的通信服务。

通过学习网络编程的基础知识，我们可以更好地理解网络编程的基本概念和实现方法，为后续的网络应用开发打下坚实的基础。

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