【网络】网络基础概念：从协议分层到Socket基础

目录

一、网络的本质：跨主机的进程间通信

[1.1 网络的核心价值](#1.1 网络的核心价值)

[1.2 协议：设备通信的"共同语言"](#1.2 协议：设备通信的“共同语言”)
二、协议分层模型：从OSI到TCP/IP

[2.1 为什么需要分层？](#2.1 为什么需要分层？)

[2.2 OSI模型](#2.2 OSI模型)

[2.3 TCP/IP模型](#2.3 TCP/IP模型)

[2.4 分层通信的核心：封装与解包](#2.4 分层通信的核心：封装与解包)
三、网络通信的三大核心标识

[3.1 IP地址：跨网络的主机身份证](#3.1 IP地址：跨网络的主机身份证)

[3.2 MAC地址：局域网内的设备标识](#3.2 MAC地址：局域网内的设备标识)

[3.3 端口号：主机内的进程门牌号](#3.3 端口号：主机内的进程门牌号)

[3.4 关键结论：IP+端口号=Socket](#3.4 关键结论：IP+端口号=Socket)
四、传输层核心协议：TCP与UDP

[4.1 TCP：可靠传输](#4.1 TCP：可靠传输)

[4.2 UDP：高效传输](#4.2 UDP：高效传输)

[4.3 协议选型建议](#4.3 协议选型建议)
[五、网络编程预备：字节序与Socket API](#五、网络编程预备：字节序与Socket API)

[5.1 网络字节序：跨主机的字节约定](#5.1 网络字节序：跨主机的字节约定)

[5.2 Socket核心API入门](#5.2 Socket核心API入门)

[5.3 sockaddr结构体：通用地址接口](#5.3 sockaddr结构体：通用地址接口)
六、总结

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一、网络的本质：跨主机的进程间通信

在Linux系统中，我们之前学过进程间通信（IPC）的多种方式（管道、共享内存等），但这些方式有一个共同的限制------只能在同一台主机内的进程间使用。而网络的出现，本质是将"进程间通信"延伸到了跨主机场景：无论两台主机相隔千里，只要接入网络，它们的进程就能像在同一台机器上一样交换数据。

1.1 网络的核心价值

• 资源共享：一台服务器的数据库、文件可以被多台客户端访问；
• 分布式协作：不同主机的进程分工完成复杂任务（如Web服务器+数据库服务器）；
• 突破地理限制：远程登录、视频通话等场景本质都是跨主机进程通信。

1.2 协议：设备通信的"共同语言"

计算机之间的传输媒介是光信号、电信号（本质是0和1的组合），要让这些0和1被对方理解，就需要一套"约定"------这就是网络协议。

举个生活中的例子：打电话时，"铃响3声内接听"是双方的约定；网络通信中，"数据开头4字节表示数据长度"就是一种协议约定。

协议的核心作用：

• 统一数据格式：规定字段的顺序、长度、含义；
• 统一交互逻辑：规定"如何建立连接""如何确认接收""如何处理错误"；
• 屏蔽设备差异：无论硬件（Intel/AMD）、系统（Linux/Windows），遵守同一协议就能通信。

制定协议的权威组织包括IEEE（制定局域网标准）、IETF（制定TCP/IP协议族）、ISO（制定OSI模型）等，它们确保了全球设备的通信兼容性。

二、协议分层模型：从OSI到TCP/IP

协议本质是软件，为了模块化设计、降低维护成本，被设计为分层结构------每层只负责特定功能，通过接口与上下层交互，无需关心其他层的实现。

2.1 为什么需要分层？

分层的核心是"解耦"。比如：

• 更换局域网传输介质（从网线到WiFi），只需修改物理层和数据链路层，无需改动应用层（如HTTP协议）；
• 应用层从HTTP切换到FTP，只需修改应用层逻辑，传输层（TCP）和网络层（IP）可以完全复用。

2.2 OSI模型

OSI将网络通信从逻辑上划分为七层，每层职责单一、边界清晰，自上而下依次为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。每层仅与直接相邻的上下层交互，通过"服务接口"提供功能，屏蔽底层实现细节。

分层（从顶到下）	核心功能	关键作用与示例
7. 应用层	为特定应用提供通信协议，直接面向用户需求	如HTTP（网页浏览）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件），是用户进程与网络的"交互入口"；
6. 表示层	负责数据格式转换、加密/解密、压缩/解压缩，统一网络数据格式	例如将本地主机的二进制数据转换为网络标准格式，或对敏感数据（如登录密码）进行加密处理；
5. 会话层	管理通信连接（建立、维护、断开），控制数据传输的逻辑通路	例如决定何时建立连接、连接超时时间、何时释放连接，确保通信双方的会话同步；
4. 传输层	负责两台主机间的端到端数据传输，保证数据的可靠/高效传递	与TCP/IP传输层功能类似，提供流量控制、差错校验，对应TCP（可靠）、UDP（高效）等协议；
3. 网络层	地址管理与路由选择，确定数据从源主机到目标主机的跨网络传输路径	与TCP/IP网络层一致，通过IP地址标识主机，通过路由器规划传输路线；
2. 数据链路层	局域网内数据帧的传输与识别，处理帧同步、冲突检测、差错校验	与TCP/IP数据链路层功能一致，通过MAC地址标识局域网设备，对应以太网、WiFi等协议；
1. 物理层	定义光/电信号的传输规则，规定传输介质（网线、光纤）和连接器的物理规格	与TCP/IP物理层一致，负责将0/1比特流转换为实际的电信号或光信号；

2.3 TCP/IP模型

OSI七层模型是理论上的完美框架，但实际工程中落地的是TCP/IP五层模型（或简化为四层），每层的功能、核心协议、代表设备如下：

2.3.1 物理层（最底层）

• 功能：负责将0和1转换为光/电信号，定义传输介质的规格（网线、光纤、电磁波）；
• 核心：无协议，仅处理硬件层面的信号传输；
• 代表设备：集线器（Hub）、网线、网卡的物理接口。

2.3.2 数据链路层

• 功能：局域网内的设备识别与数据帧传输，处理帧同步、冲突检测、差错校验；
• 核心协议：以太网协议、WiFi协议；
• 核心标识：MAC地址（网卡出厂时固化的唯一标识）；
• 代表设备：交换机（Switch）、网卡驱动。

2.3.3 网络层

• 功能：跨网络的地址管理与路由选择，确定数据从源主机到目标主机的传输路径；
• 核心协议：IP协议（IPv4/IPv6）、ICMP协议（网络差错报告）；
• 核心标识：IP地址（跨网络的主机唯一标识）；
• 代表设备：路由器（Router）。

2.3.4 传输层

• 功能：主机内进程间的可靠传输，处理数据的分段、重组、流量控制；
• 核心协议：TCP（可靠传输）、UDP（高效传输）；
• 核心标识：端口号（主机内进程的唯一标识）；
• 运行载体：操作系统内核（Linux内核实现TCP/UDP协议栈）。

2.3.5 应用层（最上层）

• 功能：针对特定应用场景的协议约定，如文件传输、网页浏览、邮件发送；
• 核心协议：HTTP（网页）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件）、Telnet（远程登录）；
• 运行载体：用户进程（如浏览器、FTP客户端）。

注：TCP/IP四层模型是将物理层和数据链路层合并为"网络接口层"，核心逻辑与五层模型一致。

2.4 分层通信的核心：封装与解包

数据从应用层发送到网络的过程，是逐层封装 ；到达目标主机后，是逐层解包，这是网络通信的核心流程：

封装过程（发送端）：

1. 应用层：用户数据（如"Hello World"）加上应用层头部（如HTTP头部，包含请求方法、目标路径）；
2. 传输层：将应用层数据作为"有效载荷"，加上传输层头部（如TCP头部，包含源端口、目标端口），形成"段"；
3. 网络层：将传输层段作为有效载荷，加上网络层头部（如IP头部，包含源IP、目标IP），形成"数据报"；
4. 数据链路层：将网络层数据报作为有效载荷，加上链路层头部（如以太网头部，包含源MAC、目标MAC）和尾部（差错校验字段），形成"帧"；
5. 物理层：将帧转换为光/电信号，通过传输介质发送。

解包过程（接收端）：

1. 物理层：接收光/电信号，转换为帧，交给数据链路层；
2. 数据链路层：校验尾部、剥离链路层头部，提取数据报，交给网络层；
3. 网络层：校验IP头部、剥离网络层头部，提取段，交给传输层；
4. 传输层：校验TCP/UDP头部、重组分段（若有），提取应用层数据，交给应用层；
5. 应用层：解析应用层头部，处理用户数据（如浏览器渲染网页）。
   

三、网络通信的三大核心标识

要实现"跨主机进程通信"，需要三层标识：IP地址（找主机）、MAC地址（找局域网设备）、端口号（找进程）。

3.1 IP地址：跨网络的主机身份证

• 定义：IP协议中标识网络中唯一主机的地址，IPv4为32位整数（4字节），用点分十进制表示（如192.168.0.1）；
• 作用：跨网络传输时，路由器通过IP地址确定数据的转发路径（类似快递的收件地址）；
• 特点：IP地址在整个跨网络传输过程中保持不变，是"最终目标地址"。

3.2 MAC地址：局域网内的设备标识

• 定义：数据链路层标识局域网内设备的地址，48位整数（6字节），用十六进制+冒号表示（如08:00:27:03:fb:19）；
• 作用：局域网内数据转发时，交换机通过MAC地址确定数据的下一跳设备（类似快递的小区楼栋号）；
• 特点：MAC地址在跨网络传输时不断变化，每经过一个路由器，都会重新封装链路层头部，更新源MAC和目标MAC。

3.3 端口号：主机内的进程门牌号

• 定义：传输层标识主机内唯一网络进程的地址，16位整数（范围0-65535）；
• 分类：
  • 0-1023：知名端口号（HTTP=80，FTP=21，SSH=22）；
  • 1024-65535：动态端口号（客户端进程由操作系统分配）；
• 作用：数据到达目标主机后，操作系统通过端口号将数据交给对应的进程（类似快递的房门号）；
• 特点：一个端口号只能被一个进程绑定，但一个进程可以绑定多个端口号。

3.4 关键结论：IP+端口号=Socket

• 单独的IP地址只能找到主机，单独的端口号只能找到主机内的进程，二者结合才能唯一标识"互联网中的某个进程"；
• 这种"IP地址+端口号"的组合，称为Socket（套接字），是网络编程的核心标识；
• 通信的本质：两个Socket之间的数据交互，用"源IP+源端口+目标IP+目标端口"的四元组，可以唯一标识互联网中的一次通信。

四、传输层核心协议：TCP与UDP

传输层的核心是TCP和UDP协议，二者是网络编程中最常用的协议，定位完全不同：

4.1 TCP：可靠传输

• 核心特性：有连接、可靠传输、面向字节流；
• 有连接：通信前需建立三次握手，通信后需四次挥手；
• 可靠传输：通过序列号、确认应答、重传机制、流量控制、拥塞控制，确保数据不丢失、不重复、按序到达；
• 面向字节流：数据无边界，像水流一样连续传输（需应用层自行定义数据边界，也就是序列化）；
• 适用场景：文件传输（FTP）、网页浏览（HTTP）、邮件发送（SMTP）等对可靠性要求高的场景。

4.2 UDP：高效传输

• 核心特性：无连接、不可靠传输、面向数据报；
• 无连接：通信前无需建立连接，直接发送数据；
• 不可靠传输：无确认应答、无重传机制，数据可能丢失、重复、乱序；
• 面向数据报：数据有明确边界，每次发送都是一个独立的数据报（接收方一次接收一个完整数据报）；
• 适用场景：实时通信（视频通话、语音聊天）、游戏数据传输、广播/组播等对实时性要求高的场景。

4.3 协议选型建议

• 优先选TCP：数据不能丢失、需要顺序保证（如文件、支付数据）；
• 优先选UDP：追求低延迟、允许少量数据丢失（如实时音视频、游戏）；
• 注意：UDP的"不可靠"是指传输层不保证，可通过应用层实现可靠性（如添加序列号、重传机制）。

五、网络编程预备：字节序与Socket API

Linux网络编程的核心是Socket接口，而使用Socket前，必须先解决字节序问题，否则会出现数据解析错误。

5.1 网络字节序：跨主机的字节约定

• 主机字节序：不同CPU的字节存储顺序（大端/小端），如x86架构是小端，PowerPC是大端；
• 网络字节序：TCP/IP协议规定的统一字节序------大端字节序（低地址存储高字节）；
• 为什么需要转换？：如果发送方是小端主机，直接发送数据会导致接收方（可能是大端主机）解析错误，因此需将主机字节序转换为网络字节序发送，接收方再转换为主机字节序。

核心转换函数（需包含<arpa/inet.h>）：

• htons：host to network short（16位端口号转换）；
• htonl：host to network long（32位IP地址转换）；
• ntohs：network to host short（16位端口号还原）；
• ntohl：network to host long（32位IP地址还原）。

示例：将端口号80转换为网络字节序：

uint16_t port = 80;
uint16_t net_port = htons(port);

5.2 Socket核心API入门

Socket是Linux内核提供的网络编程接口，本质是一个文件描述符（与文件、管道的描述符统一管理），核心API如下：

1. 创建Socket（socket）

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

• domain：地址族（AF_INET=IPv4，AF_INET6=IPv6）；
• type：套接字类型（SOCK_STREAM=TCP，SOCK_DGRAM=UDP）；
• protocol：协议（0=默认，由前两个参数推导）；
• 返回值：成功返回Socket文件描述符，失败返回-1。

示例：创建TCP Socket：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

2. 绑定地址（bind）

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

• 作用：将Socket与"IP+端口号"绑定（服务器端必须绑定，客户端可选）；
• addr：通用地址结构体指针（需强制转换为struct sockaddr *）；
• addrlen：地址结构体长度。

3. 开始监听（listen，仅TCP服务器）

int listen(int sockfd, int backlog);

• 作用：将主动套接字（客户端）转换为被动套接字（服务器），开始接收连接请求；
• backlog：连接请求队列的最大长度。

4. 接收连接（accept，仅TCP服务器）

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

• 作用：从连接队列中取出一个连接，创建新的Socket用于通信；
• 返回值：成功返回新的通信Socket描述符，失败返回-1。

5. 建立连接（connect，仅TCP客户端）

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

• 作用：向服务器发起TCP连接请求；
• addr：服务器的"IP+端口号"地址结构体。

5.3 sockaddr结构体：通用地址接口

Socket API支持多种地址族（IPv4、IPv6、UNIX域），因此提供了通用的struct sockaddr结构体，编程时需根据地址族使用具体的结构体（如IPv4用struct sockaddr_in），再强制转换为struct sockaddr *。

IPv4地址结构体（struct sockaddr_in）：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;  // 地址族（AF_INET）
    in_port_t sin_port;    // 端口号（网络字节序）
    struct in_addr sin_addr; // IP地址（32位整数，网络字节序）
    unsigned char sin_zero[8]; // 填充字段，需置0
};

struct in_addr {
    in_addr_t s_addr; // IPv4地址（网络字节序）
};

示例：初始化服务器地址结构体：

struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(8080); // 端口号转换为网络字节序
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定所有网卡IP

六、总结

网络编程的核心逻辑可以概括为：用Socket标识跨网络进程，通过协议分层实现数据的封装与传输，用TCP/UDP保证传输的可靠性或高效性。

本文覆盖了网络编程的基础概念，后续会深入讲解：

1. 基础Socket编程实战；
2. TCP/UDP协议细节（三次握手、四次挥手、滑动窗口、重传机制）；
3. 并发网络编程（多进程、多线程、IO复用）；
4. 应用层协议实战。