Linux学习-通信（网络通信）

幸运狗头2025-08-24 4:10

一、Linux 应用软件编程 - 网络编程 整体框架

涵盖 文件操作、多任务并发 基础，核心聚焦 "不同主机进程间通信" ，解决 物理网络连通 + 软件进程互通 问题。

二、网络通信核心概念

1. 网络标识体系
标识类型 作用 特点
IP 地址 软件地址，标识主机 分公网（直连互联网）、私网（局域网内）
MAC 地址 硬件地址，固定标识设备 全球唯一
端口号 标识主机内不同网络进程 16 位整数（0~65535）
2. 网络协议与分层模型
  • OSI 七层模型 （理论参考）：从应用层到物理层定义通信标准，核心关注 传输层（TCP/UDP）、网络层（IP 路由）。
TCP/IP 五层模型详细说明表
层级（从下到上） 核心功能 常见协议 典型设备 关键技术/标识 应用场景示例
1. 物理层 定义物理设备标准，处理物理介质上的原始比特流传输，规定电气、机械、接口特性 无独立协议（依赖硬件标准） 集线器、中继器、网线、光纤、无线AP 比特流、物理接口（RJ-45、LC） 以太网物理连接、Wi-Fi信号传输
2. 数据链路层 封装原始比特流为"帧"，实现相邻节点间可靠传输，处理帧同步、差错控制、MAC寻址 以太网协议（Ethernet）、PPP（点到点协议）、HDLC（高级数据链路控制协议） 交换机、网卡 帧、MAC地址（设备硬件地址） 局域网内设备间数据转发
3. 网络层 实现跨网络的"数据包"路由与转发，通过IP地址定位主机，选择最优传输路径 IP（IPv4/IPv6）、ICMP（控制报文协议，如ping）、ARP（IP转MAC）、RARP（MAC转IP） 路由器、三层交换机 数据包、IP地址（网络逻辑地址） 不同局域网间数据跨网段传输
4. 传输层 提供端到端通信服务，控制数据传输的可靠性/效率，处理顺序、流量、差错控制 TCP（面向连接、可靠传输）、UDP（无连接、高效传输） 无（依赖主机操作系统） 字节流（TCP）、数据报（UDP）、端口号（进程标识） 文件传输（TCP）、视频会议（UDP）
5. 应用层 直接为用户应用程序提供服务，定义应用间通信的协议与数据格式 HTTP（网页浏览）、HTTPS（安全网页）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件发送）、DNS（域名解析） 计算机、服务器（运行应用程序） 应用数据（如HTML、文件、邮件内容） 网页访问、文件上传下载、邮件发送
3. IP 地址深度解析

  • 结构 ：IP = 网络位 + 主机位（通过子网掩码区分），例：192.168.0.121/24 中，24 表示网络位占 24 位。

  • IP地址分类 ：

    类别 范围 子网掩码 应用场景
    A 1.0.0.0~126.255.255.255 255.0.0.0 大规模网络
    B 128.0.0.0~191.255.255.255 255.255.0.0 中大规模网络
    C 192.0.0.0~223.255.255.255 255.255.255.0 中小规模网络
    D 224.0.0.0~239.255.255.255 - 组播/广播
    E 240.0.0.0~255.255.255.254 - 实验用途

  • 特殊地址 ：

    • 私网 IP（如 10.0.0.0/8、192.168.0.0/16）：局域网内使用，无法直连互联网。
    • 回环地址（127.0.0.0/8）：用于本机进程间通信。
4. 端口号

16位整形数据（unsigned short）0 ~65535

功能：标记同一主机的不同网络进程

范围 类型 说明 典型协议/应用
1~1023 知名端口 系统/通用服务保留 HTTP(80)、FTP(20/21)、HTTPS（443）、TFPT（69）
1024~49151 注册端口 特殊服务使用（需 IANA 分配） MQTT(1883/8883)
49152~65535 动态/私有端口 应用临时分配 客户端随机端口

三、网络调试与配置工具

工具 作用 示例命令
ping 检测网络连通性 ping www.baidu.com
ifconfig Linux 查看/配置 IP ifconfig eth0
ipconfig Windows 查看 IP ipconfig /all
虚拟机网络配置 桥接模式（直连局域网）、NAT（共享主机网络） VMware 中设置"桥接模式"

Linux下：

修改网络配置文件：sudo vim/etc/network/interfaces

重启网络服务：sudo /etc/init.d/networking restart

测试： ping www.baidu.com

四、网络编程实践（UDP 为例）

1. C/S 模型对比
模型 客户端特点 开发场景 资源加载方式
B/S 通用（浏览器） 主要开发服务端 全依赖服务端加载
C/S 专用客户端 服务端 + 客户端都需开发 本地可缓存资源 ,无需所有数据都请求服务器
2. UDP 编程流程（C/S 架构）
  • 服务端 ：socket() → bind() → recvfrom() → sendto() → close()
  • 客户端 ：socket() → sendto() → recvfrom() → close()

五、关键函数解析

函数 功能 核心参数说明
socket() 创建套接字 domain（AF_INET=IPv4）、type（SOCK_DGRAM=UDP）
bind() 绑定 IP+端口 需指定 struct sockaddr_in（含 IP、端口）
sendto() 发送数据 需传入对端地址（dest_addr）
recvfrom() 接收数据 可获取发送端地址（src_addr）
socket：创建套接字
c 复制代码 
int socket(int domain, int type, int protocol);
  • 功能：创建一个网络套接字（通信端点），返回用于后续网络操作的文件描述符。
  • 参数 ：
    • domain：地址族（协议族），指定网络通信的地址类型。常用值：AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）。
    • type：套接字类型，指定通信方式。常用值：SOCK_STREAM（TCP，面向连接、可靠传输）、SOCK_DGRAM（UDP，无连接、不可靠传输）。
    • protocol：具体协议，通常填 0 表示使用 type 对应的默认协议（如 SOCK_STREAM 对应 TCP，SOCK_DGRAM 对应 UDP）。
  • 返回 ：成功返回非负套接字描述符（sockfd），失败返回 -1（需检查 errno）。
bind：绑定 IP + 端口
c 复制代码 
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 功能 ：将套接字 sockfd 与指定的 IP + 端口 绑定，让系统知道该套接字监听哪个地址。
  • 参数 ：
    • sockfd：套接字（socket() 返回的文件描述符）。
    • addr：要绑定的地址（需强转为 struct sockaddr *，通常用 struct sockaddr_in 填充）。
    • addrlen：地址结构体的大小（sizeof(struct sockaddr_in)）。
  • 返回 ：成功返回 0，失败返回 -1（需检查 errno）。
sendto：发送 UDP 数据到指定地址

（补充说明，与之前知识联动）

c 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);
  • 功能 ：向指定地址（dest_addr）发送 UDP 数据。
  • 参数 ：
    • dest_addr：接收方的地址（struct sockaddr_in 填充 IP + 端口）。
recvfrom：接收 UDP 数据并获取发送方地址
c 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 sockfd 接收数据，同时获取 发送方的地址信息 （src_addr）。
  • 参数 ：
    • sockfd：套接字。
    • buf：存储接收数据的缓冲区。
    • len：希望接收的最大字节数。
    • flags：通常填 0（阻塞接收）。
    • src_addr：用于存储 发送方地址 （需用 struct sockaddr_in 解析）。
    • addrlen：地址结构体的大小（传入 sizeof(src_addr) 的指针）。
  • 返回 ：成功返回实际接收的字节数，失败返回 -1。
网络地址结构体（struct sockaddr_in）

用于描述 IPv4 网络地址，是 UDP/TCP 编程的基础数据结构。

c 复制代码 
struct sockaddr_in {
    sa_family_t  sin_family;    // 地址族（固定为 AF_INET 表示 IPv4）
    in_port_t    sin_port;      // 端口号（网络字节序）
    struct in_addr sin_addr;    // IP 地址（网络字节序）
};

// IP 地址的二进制形式（网络字节序）
struct in_addr {
    uint32_t s_addr; 
};
参数：
  1. sin_family ：
    • 必须填 AF_INET（表示 IPv4 地址族），否则通信失败。
  2. sin_port ：
    • 存储 端口号 ，但必须用 网络字节序 （通过 htons 转换）。
  3. sin_addr ：
    • 存储 IP 地址 （二进制形式，网络字节序），常用 inet_addr 或 inet_pton 转换字符串 IP。
字节序转换（网络大端 vs 主机小端 ）

网络通信要求 端口号、IP 地址 必须用 网络字节序（大端） ，而主机 CPU 可能是 小端，因此需要转换。

1. 核心函数
函数 功能 适用场景
htons(host_short) 主机短整型 → 网络字节序 端口号转换（16 位）
ntohs(net_short) 网络字节序 → 主机短整型 端口号转换（16 位）
htonl(host_long) 主机长整型 → 网络字节序 IP 地址转换（32 位）
ntohl(net_long) 网络字节序 → 主机长整型 IP 地址转换（32 位）
2. 示例（端口号转换）
c 复制代码 
uint16_t host_port = 50000;   // 主机字节序（小端）
uint16_t net_port = htons(host_port); // 转换为网络字节序（大端）
3. 字节序直观对比
  • 主机小端（x86 架构）：低字节存低地址，例：0x1234 存储为 0x34 0x12
  • 网络大端：高字节存低地址，例：0x1234 存储为 0x12 0x34
IP 地址字符串 ↔ 二进制转换

  • inet_addr(const char *cp)：

    • 功能：将字符串 IP（如 "192.168.0.171"）转换为 网络字节序的二进制 IP （uint32_t）。

    • 示例：

      c 复制代码 
      struct in_addr ip;
ip.s_addr = inet_addr("192.168.0.171"); // 转换为网络字节序

  • inet_ntoa(struct in_addr in)：

    • 功能：将二进制 IP（网络字节序）转换为 字符串 IP （如 "192.168.0.171"）。

    • 示例：

      c 复制代码 
      struct in_addr ip = {.s_addr = inet_addr("192.168.0.171")};
char *ip_str = inet_ntoa(ip); // 转换为字符串 "192.168.0.171"

六、练习（UDP 全双工通信）

  • 服务端（server.c）：

    c 复制代码 
    #include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建 UDP 套接字
    struct sockaddr_in addr = {.sin_family = AF_INET, 
                               .sin_port = htons(50000), 
                               .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY};
    bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)); // 绑定端口

    char buf[1024];
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t len = sizeof(client_addr);

    while (1) {
        // 接收客户端数据 + 获取客户端地址
        ssize_t cnt = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, 
                             (struct sockaddr*)&client_addr, &len);
        buf[cnt] = '\0';
        printf("收到来自 %s:%d 的数据：%s\n", 
               inet_ntoa(client_addr.sin_addr), 
               ntohs(client_addr.sin_port), buf);
        
        // 回复客户端
        sendto(sockfd, "已收到", 6, 0, 
              (struct sockaddr*)&client_addr, len);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

  • 客户端（client.c）：

    c 复制代码 
    #include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建 UDP 套接字
    struct sockaddr_in server_addr = {.sin_family = AF_INET, 
                                      .sin_port = htons(50000), 
                                      .sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.171")};

    char buf[1024];
    while (1) {
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin); // 从终端读入数据
        sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, 
              (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 发数据

        // 接收服务端回复
        ssize_t cnt = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
        buf[cnt] = '\0';
        printf("服务端回复：%s\n", buf);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}
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