嵌入式第三十五课！！Linux下的网络编程

一、目的

网络编程的目的实际上也是进程通信的一种方式，不过它可以在不同的主机上进行通信；

二、需要解决的问题

主机与主机之间物理层面必须互联互通。

指的是参与通信的计算机（主机）需要通过物理设备建立连接（光纤、网线），确保数据能够在物理介质上传输

具体包括：网卡正常工作、网线或无线信号等传输介质连接正常、路由器 / 交换机等网络设备配置正确

进程与进程在软件层面必须互联互通。

指的是在物理连接通畅的基础上，不同主机上的应用程序进程需要通过网络协议进行逻辑连接

具体包括：使用正确的 IP 地址和端口号、采用相同的网络协议（如 TCP/UDP）、进程已正确绑定端口并处于监听状态

举个例子：

这是一个传输机制图解；每个有IP地址的方格代表一个主机；其中，交换机就是局域网内的主机通信的物理设备；但是如果要在广域网与其他网段的主机进行通信的话，就需要"路由器+ 链路" 来负责跨网段转发。简单说，左边局域网和右边局域网，靠路由器之间的物理链路打通，数据就能从左传到右、右传到左。

至于进程，两边进程得用 相同的协议（比如 TCP/UDP） 说话。比如左边进程用 TCP 发数据，右边进程也得用 TCP 收，否则 "语言不通" 没法交流。而每个进程要通信，得绑定 IP + 端口 。比如左边主机 192.168.0.140 上的QQ给另一台主机的QQ发消息，得告诉系统："我在 192.168.0.140 这台机器，监听 QQ 端口，别人可以给我发数据"；右边主机 192.168.1.140 上的进程同理。如果端口不同，就有可能接收不到信息；

所以，在这里总结几个概念：

IP地址：计算机的软件地址，用来标识计算机设备（由路由器动态分配）

MAC地址：计算机的硬件地址（固定）

网络的端口号：标记同一主机上的不同网络进程

需要注意的是：

在同一个局域网下，不能有2个一模一样的ip地址；

路由器在进行远距离数据传输的时候，会对路径进行选择规划，力求最短/最快路径

图解如下：

三、网络协议

网络协议即是不同体系结构设备间，网络通信的标准

OSI七层模型

意味开放系统互联模型（open system interconnect）

它是一个理论模型：

|-------|-----------------------------------------|
| 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（安全性） |
| 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（帧数据），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 bit 0 1） |

TCP/IP模型：应用模型

它是一个应用模型，一共分为5层：

| 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转为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

物理层同上：

|-----|-----------------------------------------|
| 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 bit 0 1） |

在有一些定义中，也可能是四层：

应用层：同上

传输层：同上

网络层：同上

网络接口层：包含物理层与数据链路层

四、IP协议

网络层

|------|------|
| IPv4 | 32位 |
| IPv6 | 128位 |

例：

192.168.1.140 (用户表示形式) 点分十进制

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

IP地址

IP地址 = 网络位 + 主机位

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 | 这个网段(局域网)第几台主机 |
| 子网掩码 | 用来区分IP地址的网络位和主机位，搭配IP地址使用。 |

举个例子：

255.255.255.0

11111111.11111111.11111111.00000000

子网掩码是1的部分对应IP地址的网络位

子网掩码是0的部分对应IP地址的主机位

特殊的IP地址

| 网段号: | IP地址网络位不变,主机位全为0,则为该IP地址的网段号 |
| 广播号: | IP地址网络位不变,主机位全为1,则为该IP地址的广播号 |

网关地址：	192.168.1.1（局域网与广域网的网关）

举个例子：

IP地址：192.168.1.3

子网掩码：255.255.255.0

网段号：192.168.1.0(网段内的IP能直接通信)
IP地址：192.168.1.3

子网掩码：255.255.255.0

网段号：192.168.1.255(向广播号发送信息,所有局域网内IP都能收到此信息)

IP地址的划分

在此之前，我们先来区分两个概念：

为了节省ip地址，把ip分为两种：

公有IP：由电信公司直接分配，并需要付费的IP地址，可以直接访问internet

私有IP：不能直接访问internet的ip地址，由路由器分配，进入广域网时自动转为公有IP

(1)A类地址:

用于管理大规模网络

|------------|---------------------------|
| 范围 | 1.0.0.0 - 126.255.255.255 |
| 子网掩码 | 255.0.0.0 |
| 可以分配的IP地址数 | 126*2^24 |
| 私有IP地址 | 10.0.0.0 - 10.255.255.255 |

(2)B类地址:

管理大中规模网络

|------------|-----------------------------|
| 范围 | 128.0.0.0 - 191.255.255.255 |
| 子网掩码 | 255.255.0.0 |
| 可以分配的IP地址数 | 2^16 |
| 私有IP地址 | 172.16.0.0 - 172.31.255.255 |

(3)C类地址:

管理中小规模网络

|------------|-------------------------------|
| 范围 | 192.0.0.0 - 223.255.255.255 |
| 子网掩码 | 255.255.255.0 |
| 可以分配的IP地址数 | 2^8 |
| 私有IP地址 | 192.168.0.0 - 192.168.255.255 |

(4)D类地址:

组播和广播使用

|----|-----------------------------|
| 范围 | 224.0.0.0 - 239.255.255.255 |

(5)E类地址:

用来进行实验

|----|-----------------------------|
| 范围 | 240.0.0.0 - 255.255.255.254 |

五、网络端口号

端口号 ：为16位的整形数据（unsigned short）（范围是：0-65535）

端口号功能：标记同一主机上的不同网络进程

分类

1）任何TCP/IP实现所提供的服务都用1-1023之间的端口号。

| http | 80 |
| FTP | 20/21 |
| TFPT | 69 |

HTTPS	443

2）端口号从1024-49151是被注册的端口号，被IANA指定为特殊服务使用。

MQTT：1883/8883

3）从49152-65535是动态或私有端口号。

六、网络配置

1. ping ip地址/域名

查看当前主机和IP/域名所对应的这台主机网络是否联通

2. ifconfig

在Linux查看当前主机的IP地址

ipconfig

在Windows上查看当前主机的IP地址

3. 网络配置

1）虚拟机--》设置--》网络适配器---》桥接模式

2）编辑--》虚拟网络编辑器--》更改设置--》VMnet0---》桥接至--》当前PC正在上网的网卡上--》应用--》确定

3）修改网络配置文件

在终端输入命令：sudo vim /etc/network/interfaces

cs 复制代码

auto lo
iface lo inet loopback

auto ens33 
iface ens33 inet dhcp

4）重启网络服务

sudo /etc/init.d/networking restart

5) 测试

ping www.baidu.com

七、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（浏览器/服务器）
1. 客户端是通用的客户端（浏览器）
2. 一般只做服务器开发
3. 客户端要加载的数据均来自服务器

3. 客户端可保存资源，本地加载，无需所有数据都请求服务器

2）UDP编程流程

我们先来厘清一个概念：

套接字：文件描述符；网络通信时，应用层可操作的端口。

socket函数：

#include <sys/types.h> /* See NOTES */

#include <sys/socket.h>

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

功能：创建通信的套接字

参数：

domain：网络层使用什么协议族

AF_INET：IPv4

AF_INET6：IPv6

type：规定传输层的协议

SOCK_DGRAM ： UDP协议

SOCK_STREAM：TCP协议

SOCK_RAW ：原始套接字

protocol ：0 按照默认协议方式创建

返回值：

成功：套接字

失败：-1

sendto函数

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,

const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

功能：向网络套接字发送数据

参数：

sockfd：套接字

buf：要发送的数据的首地址

len：要发送的字节数

flags： 0：按照默认方式发送

dest_addr：接收方的地址信息（IP+端口号）

addrlen：接收方地址的大小

返回值：

成功：实际发送的字节数

失败：-1

使用man 7 ip 命令获取两个结构体

cs 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 */
           };

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

其中：

port in network byte order代表基于网络字节序的端口号；

网络字节序：大端（network）

主机字节序：小端（host）

为了切换这两者，我们可以使用函数：

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

我们通常传递的ip地址为一个字符串，为了使其切换成二进制IP地址的形式，也要再调用一次函数：

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

功能:

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);

功能：

将二进制ip转换成字符串

bind函数：

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

recvfrom函数：

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：发送发地址的指针

功能：

成功：实际接收到的字节数

失败：-1

客户端编程：

cs 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
	//socket()
	//sendto()
	//recvfrom()
	//close()

	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if (sockfd < 0)
	{
		perror("socket error");
		return -1;
	}
	
	//定义的接收方(服务端)的地址变量
	struct sockaddr_in seraddr;
	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(50000);    //接收方的端口号
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.179");  //接收方所在主机的IP地址

	char buff[1024] = {0};
	while (1)
	{
		fgets(buff, sizeof(buff), stdin);
		ssize_t cnt = sendto(sockfd, buff, 0, 0, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
		if (cnt < 0)
		{
			perror("sendto error");
			return -1;
		}

	//	printf("cnt = %ld\n", cnt);

		memset(buff, 0, sizeof(buff));
		recvfrom(sockfd, buff, sizeof(buff), 0, NULL, NULL);
		printf("ser-->cli : %s\n", buff);
	}
	//
	close(sockfd);

	return 0;
}

服务端编程：

cs 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>


int main(int argc, const char *argv[])
{
	//socket()
	//bind()
	//recvfrom()
	//sendto()
	//close()
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if (sockfd < 0)
	{
		perror("socket error");
		return -1;
	}
	
	struct sockaddr_in cliaddr;
	socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);
	//服务端自己的地址信息变量
	struct sockaddr_in seraddr;
	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(50000);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.179");

	int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
	if (ret < 0)
	{
		perror("bind error");
		return -1;
	}
	
	char buff[1024] = {0};
	while (1)
	{
		memset(buff, 0, sizeof(buff));
		ssize_t cnt = recvfrom(sockfd, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);
		if (cnt < 0)
		{
			perror("recvfrom error");
			return -1;
		}
		else if (0 == cnt)
		{
			printf("cnt = %ld\n", cnt);
			break;
		}
		printf("[%s : %d][%ld] %s\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port),cnt, buff);

		fgets(buff, sizeof(buff), stdin);
		//strcat(buff, "--->ok");
		sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, clilen);

	}
	close(sockfd);

	return 0;
}

以上就是今天和大家分享的内容！！！！感谢你的阅读！！！！！

嵌入式第三十五课！！Linux下的网络编程

一、目的

二、需要解决的问题

三、网络协议

OSI七层模型

TCP/IP模型：应用模型

四、IP协议

IP地址

特殊的IP地址

IP地址的划分

(1)A类地址:

(2)B类地址:

(3)C类地址:

(4)D类地址:

(5)E类地址:

五、 网络端口号

分类

1）任何TCP/IP实现所提供的服务都用1-1023之间的端口号。

2）端口号从1024-49151是被注册的端口号，被IANA指定为特殊服务使用。

3）从49152-65535是动态或私有端口号。

六、网络配置

1. ping ip地址/域名

2. ifconfig

ipconfig

3. 网络配置

1）虚拟机--》设置--》网络适配器---》桥接模式

2）编辑--》虚拟网络编辑器--》更改设置--》VMnet0---》桥接至--》当前PC正在上网的网卡上--》应用--》确定

3）修改网络配置文件

4）重启网络服务

5) 测试

七、网络协议------UDP

1）网络编程模型

2）UDP编程流程

socket函数：

sendto函数

bind函数：

recvfrom函数：

客户端编程：

服务端编程：

五、网络端口号