linux基础——UDP、TCP

一、网络通信模型：OSI 与 TCP/IP

不同主机间的进程通信，依赖标准化的网络模型实现数据传输。目前主流模型分为 "理想型" OSI 七层模型和 "实用型" TCP/IP 四层模型。

1. OSI 七层模型（开放系统互联模型）

为统一网络通信逻辑设计的理想模型，尚未完全落地，但定义了通信的分层职责：

• 应用层 ：为用户提供具体服务，如文件传输（TFTP）、电子邮件、网页访问，对应程序如a.out可调用该层接口；
• 表示层：统一数据格式，处理加密（如 HTTPS 加密）、压缩（如 gzip），确保不同主机能解析数据；
• 会话层 ：管理进程通信会话，维护连接状态（如keep-alive保活、keep-close断开），处理网络中断后的会话恢复；
• 传输层：负责端到端数据传输，提供两种核心协议 ------TCP（可靠传输，适合文件）和 UDP（实时性好，适合直播、音频）；
• 网络层：解决 "如何找到目标主机"，通过 IP 地址路由选择、NAT 地址转换，实现跨网段通信；
• 数据链路层：处理物理相邻主机的传输，将数据封装为 "帧"，做 CRC 校验（差错控制），分 LLC（逻辑链路控制）和 MAC（介质访问控制）子层，依赖交换机转发；
• 物理层：将数据转为电信号 / 光信号，通过介质（双绞线 100Mb/s、光纤 Gb 级、同轴电缆 10Gb/s、无线 2.4G/5G）传输，定义设备的机械和电气特性（如网线接口）。

2. TCP/IP 四层模型（网际互联模型）

工业标准模型，是互联网的核心协议栈，将 OSI 七层简化为四层，更贴合实际应用：

• 应用层 ：整合 OSI 应用层、表示层、会话层功能，包含 HTTP（网页）、TFTP（短距离文件传输）、FTP（文件传输）、DNS（域名解析）、SNMP（网络监管）等协议，如www.taobao.com通过 DNS 解析为 IP 地址；
• 传输层：对应 OSI 传输层，用 TCP（可靠）、UDP（实时）协议，通过 "端口号" 区分主机上的应用程序（如 HTTP 用 80 端口、SSH 用 22 端口）；
• 网络层：对应 OSI 网络层，核心是 IP 协议，配合 ICMP（网络诊断，如 ping）、RIP/OSPF（路由协议），负责跨网段路由；
• 接口层：整合 OSI 数据链路层、物理层，包含 ARP（通过 IP 查 MAC 地址）、RARP（通过 MAC 查 IP），依赖网卡驱动实现硬件交互（如 1GB 网卡）。

二、核心传输层协议：UDP 与 TCP

传输层是端到端通信的关键，UDP 和 TCP 分别对应 "实时性" 和 "可靠性" 需求，均基于 C/S（客户端 / 服务器）模式。

1. UDP（用户数据报协议）

特性

• 无连接：通信前无需建立连接，无需维护网络状态，开销小；但无法感知对方进程是否关闭，需手动发消息通知；
• 不可靠传输：数据可能丢包，但省略重传等机制，实时性极强，适合直播、视频、音频等对延迟敏感的场景；
• 多播 / 广播支持：天然支持一对多通信，可向组播地址（如 239.255.255.254）发送数据，仅加入组播组的设备接收；
• 数据有边界：发送和接收次数对应，不会像 TCP 那样合并数据。

C/S 模式流程与核心函数

• 服务端 ：socket()→bind()→recvfrom()→close()
  • socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：创建 UDP 套接字，SOCK_DGRAM指定 UDP 类型；
  • bind()：必选，绑定 IP 和端口，确保客户端能找到服务端；
  • recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen)：接收数据，src_addr可选，用于获取客户端地址，flags=0表示阻塞接收。
• 客户端 ：socket()→（可选bind()）→sendto()→close()
  • bind()可选，客户端可由系统自动分配端口；
  • sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen)：发送数据，dest_addr必选，指定服务端地址，返回成功发送的字节数，失败返回 - 1。

2. TCP（传输控制协议）

特性

• 有连接：通信前需通过 "三次握手" 建立连接，连接过程中实时维护状态，一方断开时另一方可感知；
• 可靠传输：通过 "应答 + 超时重传" 机制确保数据不丢包、不重复，适合文件下载、网页访问等对可靠性要求高的场景；
• 流式套接字：数据无边界，发送和接收次数无需对应（如发送 2 次 100 字节，可能一次接收 200 字节）；
• 拥塞控制：自动调整发送速率，避免网络拥塞，但延迟高于 UDP。

C/S 模式流程与核心函数

• 服务端 ：socket()→bind()→listen()→accept()→recv()→close()
  • socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)：创建 TCP 套接字，SOCK_STREAM指定 TCP 类型；
  • listen(int sockfd, int backlog)：监听连接，backlog指定等待队列最大长度；
  • accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)：从等待队列取出连接，返回 "通信套接字"（后续通信用此套接字，原sockfd继续监听），addr可获取客户端地址；
  • recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags)：接收数据，sockfd为accept()返回的通信套接字，flags=0阻塞接收。
• 客户端 ：socket()→connect()→send()→close()
  • connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)：必选，向服务端发起连接请求，成功返回 0，失败返回 - 1；
  • send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags)：发送数据，返回成功发送字节数，失败返回 - 1。
• 关键配置 ：setsockopt(listfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on))：允许端口复用，避免服务端重启时因 "端口占用" 报错。

三、IP 地址：网络通信的 "地址标识"

IP 地址（IPv4）是 32 位二进制数，用 "点分十进制" 表示（如 192.168.1.1），分为 "网络位"（确定网段）和 "主机位"（区分网段内设备），按网络位长度分为 A-E 五类，核心用途是定位主机。

1. 五类 IP 地址核心参数

类别	地址范围	网络位 / 主机位	默认子网掩码	用途	私有地址范围
A 类	1.0.0.0-126.255.255.255	8 位 / 24 位	255.0.0.0	超大规模网络（如运营商）	10.0.0.0-10.255.255.255
B 类	128.0.0.0-191.255.255.255	16 位 / 16 位	255.255.0.0	中大规模网络（如校园网）	172.16.0.0-172.31.255.255
C 类	192.0.0.0-223.255.255.255	24 位 / 8 位	255.255.255.0	中小网络（如家庭 / 企业内网）	192.168.0.0-192.168.255.255
D 类	224.0.0.0-239.255.255.255	无	无	组播（如直播推送）	无
E 类	240.0.0.0-255.255.255.255	无	无	科研实验	无

2. 特殊 IP 地址

• 环回地址：127.0.0.1，用于设备自身通信（如测试本机服务），数据不经过物理网卡；
• 广播地址：网段内主机位全为 1 的地址（如 192.168.0.255），向该地址发送数据，网段内所有设备接收；
• 网关地址：网段的 "出口"（如 192.168.0.1），跨网段通信需通过网关（如路由器）转发。

四、网络配置与 Socket 基础

1. 单机上网核心配置

要实现单机上网，需满足 3 个条件：有网络接口（如网卡）、正确的 IP 地址、网关与 DNS 配置：

• 设置 IP ：ifconfig ethX X.X.X.X/24 up（如ifconfig ens33 192.168.0.13/24 up），/24表示子网掩码 255.255.255.0；
• 配置网关 ：route add default gw X.X.X.X（如route add default gw 192.168.0.1），网关为路由器地址；
• 配置 DNS ：编辑/etc/resolv.conf，添加nameserver 8.8.8.8（谷歌 DNS）或114.114.114.114（国内 DNS），用于解析域名；
• 测试网络 ：ping www.baidu.com，能收到回复表示网络通畅；netstat -anp查看当前网络连接状态。

2. Socket：网络通信的 "桥梁"

Socket（套接字）是用户程序与内核网络协议栈的接口，类似 "文件句柄"------ 无 Socket，程序无法调用 TCP/IP 协议。核心概念：

• 标识方式 ：IP+端口号，IP 定位主机，端口号（1-65535）定位主机上的应用，1000 以内为系统知名端口（如 HTTP 80、MySQL 3306）；
• 地址结构体 ：
  • 通用结构体struct sockaddr：用于函数参数占位，包含sa_family（地址族，如 AF_INET 表示 IPv4）和sa_data（地址信息）；
  • IPv4 专用结构体struct sockaddr_in：包含sin_family（AF_INET）、sin_port（端口号，需转网络字节序）、sin_addr（IP 地址，sin_addr.s_addr存 32 位二进制 IP）、sin_zero[8]（占位，填 0）；
• 字节序转换 ：网络字节序为 "大端"（高位字节存低地址），主机字节序可能为小端，需用函数转换：
  • 主机→网络：htonl(uint32_t hostlong)（32 位 IP）、htons(uint16_t hostshort)（16 位端口）；
  • 网络→主机：ntohl(uint32_t netlong)、ntohs(uint16_t netshort)。

五、TCP 连接管理：三次握手与四次挥手

TCP 通过 "三次握手" 建立可靠连接，"四次挥手" 释放连接，确保通信有序。

1. 三次握手（建立连接）

目标：确认双方收发能力，同步初始序列号（Seq），流程如下：

1. 客户端→服务端 ：发送SYN报文（Seq=x，x 为客户端随机初始序列号），客户端进入SYN_SENT状态；
2. 服务端→客户端 ：回复SYN+ACK报文（Seq=y，y 为服务端初始序列号；Ack=x+1，确认收到客户端 SYN），服务端进入SYN_RCVD状态；
3. 客户端→服务端 ：发送ACK报文（Seq=x+1；Ack=y+1，确认收到服务端 SYN），双方均进入ESTABLISHED状态，连接建立，开始传输数据。

2. 四次挥手（释放连接）

目标：确保双方数据传输完成后释放资源，流程如下（以客户端主动关闭为例）：

1. 客户端→服务端 ：发送FIN+ACK报文（Seq=k，k 为客户端已发数据最后序号；Ack=m，确认服务端数据），客户端进入FIN_WAIT_1状态，表明 "客户端无数据可发"；
2. 服务端→客户端 ：回复ACK报文（Seq=m；Ack=k+1），服务端进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态，此时服务端仍可发数据；
3. 服务端→客户端 ：服务端无数据可发时，发送FIN+ACK报文（Seq=n，n 为服务端已发数据最后序号；Ack=k+1），服务端进入LAST_ACK状态；
4. 客户端→服务端 ：发送ACK报文（Seq=k+1；Ack=n+1），客户端进入TIME_WAIT状态（等待 2MSL 确保服务端收到 ACK），服务端收到后进入CLOSED状态；客户端等待后也进入CLOSED状态，连接彻底释放。