Linux下的网络编程

1. 目的

不同主机，进程间通信。

2. 解决的问题

主机与主机之间物理层面必须互联互通。
进程与进程在软件层面必须互联互通。
1. IP地址：计算机的软件地址，用来标识计算机设备
2. MAC地址：计算机的硬件地址（固定）
3. 网络的端口号：标记同一主机上的不同网络进程

3. 网络协议

网络通信标准。

OSI七层模型

开放系统互联模型（Open System Interconnect）

理论模型：不同体系结构设备间，网络通信的通信标准。

层	功能说明
应用层	要传输的数据信息，如文件传输，电子邮件等
表示层	数据加密，解密操作，压缩，解压缩
会话层	建立数据传输通道 → 会话
传输层	传输的方式，UDP / TCP，端口号
网络层	实现数据路由，路径规划 → 路由器，IP
数据链路层	封装成帧，点对点通信（局域网内通信），差错检测 → 交换机，ARP
物理层	定义物理设备标准、电气特性，比如网线、光纤等传输介质，比特流 0/1

TCP/IP模型

五层模型

应用层：

HTTP：超文本传输协议

HTTPS: 超文本传输协议（SSL加密算法）

FTP：文件传输协议（TCP）

TFTP：简单文件传输协议（UDP）

MQTT：消息队列遥测传输（物联网协议）

DNS：域名解析服务（www.baidu.com → IP地址）

传输层：

TCP：传输控制协议

UDP：用户数据报协议

网络层：

IP协议：IPv4 / IPv6

数据链路层：

ARP：地址解析协议

物理层

四层模型

应用层

传输层

网络层

网络接口层

4. IP协议

网络层：IP协议

示例：192.168.1.128

IPv4：32位

IPv6：128位

用户表示形式：192.168.1.140（点分十进制）

计算机存储形式：11000000 10101000 00000000 01000011（32 bits）

IP地址组成

IP地址 = 网络位 + 主机位

示例：192.168.0.121/24

24：网络位的位数

网络位：该IP地址位于哪个网段（局域网）

内主机位：该网段（局域网）第几台主机

子网掩码

例如：255.255.255.0 → 11111111.11111111.11111111.00000000

用来区分IP地址的网络位和主机位，搭配IP地址使用

网段号

IP地址网络位不变，主机位全为0 → 网段号

示例：192.168.1.3 / 255.255.0.0 → 网段 192.168.0.0

网段内IP能直接通信

广播号

IP地址网络位不变，主机位全为1 → 广播号

示例：192.168.1.3 / 255.255.255.0 → 广播号 192.168.1.255

局域网内所有主机都能收到此信息

网关地址

示例：192.168.1.1

IP地址分类

A类地址
- 范围：1.0.0.0 - 126.255.255.255
- 子网掩码：255.0.0.0
- 用于管理大规模网络
- 私有IP：10.0.0.0 - 10.255.255.255
- 回环地址：127.0.0.0
B类地址
- 范围：128.0.0.0 - 191.255.255.255
- 子网掩码：255.255.0.0
- 管理大中规模网络
- 私有IP：172.16.0.0 - 172.31.255.255
C类地址
- 范围：192.0.0.0 - 223.255.255.255
- 子网掩码：255.255.255.0
- 管理中小规模网络
- 私有IP：192.168.0.0 - 192.168.255.255
D类地址
- 范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255
- 组播和广播使用
E类地址
- 范围：240.0.0.0 - 255.255.255.254
- 用来进行实验
  - 公有IP：由电信公司分配，可直接访问Internet
  - 私有IP：不能直接访问Internet，可节省IP地址

5. 网络端口号

16位整形数据（0-65535），标记同一主机上的不同网络进程

分类：

1-1023：知名端口
- HTTP：80
- FTP：20/21
- TFTP：69
- HTTPS：443
1024-49151：注册端口（IANA指定特殊服务使用）
- MQTT：1883/8883
49152-65535：动态或私有端口

6. 网络配置

ping IP/域名：检测网络连通性
- 示例：ping www.baidu.com
查看当前主机IP
- Linux：ifconfig
- Windows：ipconfig
虚拟机网络配置
- 桥接模式
- 编辑虚拟网络编辑器 → VMnet0 桥接至当前上网网卡
修改网络配置文件 /etc/network/interfaces

auto lo
iface lo inet loopback

auto ens33
iface ens33 inet dhcp
重启网络服务

sudo /etc/init.d/networking restart
测试网络

ping www.baidu.com

7. 网络协议------UDP

UDP：传输层用户数据报协议（User Datagram Protocol）

1）网络编程模型

B/S模型（Browser/Server）

客户端为通用浏览器

一般只做服务器开发

客户端请求服务器数据

C/S模型（Client/Server）

客户端为专用客户端

服务器和客户端都需开发

客户端可保存资源，本地加载

2）UDP编程流程

套接字：文件描述符，应用层操作端口

复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

功能：创建通信套接字
参数：

domain：协议族

AF_INET：IPv4

AF_INET6：IPv6

type：传输层协议

SOCK_DGRAM：UDP

SOCK_STREAM：TCP

SOCK_RAW：原始套接字

protocol：0按默认协议创建

返回值：成功 → 套接字，失败 → -1

发送数据

复制代码

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

参数：

sockfd：套接字

buf：发送数据首地址

len：字节数

flags：0按默认方式发送

dest_addr：接收方地址信息（IP+端口号）

addrlen：接收方地址大小

返回值：成功 → 实际发送字节数，失败 → -1

结构体示例

复制代码

struct sockaddr_in 
{
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

struct in_addr 
{
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

字节序

网络字节序：大端

主机字节序：小端

复制代码

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);   // 主机转网络
uint16_t htons(uint16_t hostshort);  // 主机转网络
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);    // 网络转主机
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);   // 网络转主机

in_addr_t inet_addr(const char *cp); // 将字符串IP地址转换成二进制IP地址形式
char *inet_ntoa(struct in_addr in);  // 将二进制IP地址转换成字符串

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

功能: 绑定自己的IP地址和端口号

参数:

sockfd：套接字

addr：需要绑定的地址

addrlen：地址大小

返回值:

成功：0

失败：-1

复制代码

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

功能：从套接字上接收数据

参数：

sockfd：套接字

buf：存放接收数据的内存首地址

len：希望接收的字节数

flags：0，按照默认方式接收（阻塞）

src_addr：发送方的地址信息

addrlen：发送方地址的指针

返回值：

成功：实际接收到的字节数

失败：-1