一、前言
Linux 网络编程是基于 Linux 操作系统的网络通信开发技术，核心围绕Socket 接口展开，涵盖 TCP/UDP 协议应用、IO 模型优化、高并发处理等核心内容，广泛应用于服务器开发、嵌入式通信、分布式系统等场景。
二、网络的体系结构
2.1、OSI七层模型
OSI七层模型是国际标准化组织（ISO）于 1984 年制定的网络通信理论框架，核心思想是通过 "分层解耦" 将复杂的网络通信过程拆解为 7 个独立的功能模块，每层通过标准化接口为上层提供服务、向下层请求服务，最终实现 "异种计算机系统的互联互通"。如下图所示：
**应用层：**就是应用软件使用的协议，如邮箱使用的POP3，SMTP、远程登录使用的Telnet、获取IP地址的DHCP、域名解析的DNS、网页浏览的http协议等；这部分协议主要是规定应用软件如何去进行通信的。
**表示层：**决定数据的展现（编码）形式，如同一部电影可以采样、量化、编码为RMVB、AVI，一张图片能够是JPEG、BMP、PNG等。
**会话层：**为两端通信实体建立连接（会话），中间有认证鉴权以及检查点记录（供会话意外中断的时候可以继续，类似断点续传）。
**传输层：**将一个数据/文件斩件分成很多小段，标记顺序以被对端接收后可以按顺序重组数据，另外标记该应用程序使用的端口号及提供QOS。（不同的应用程序使用不同计算机的端口号，同样的应用程序需要使用一样的端口号才能正常通信）
**网络层：**路由选路，选择本次通信使用的协议（http、ftp等），指定路由策略及访问控制策略。（IP地址在这一层）
**数据链路层：**根据端口与MAC地址，做分组（VLAN）隔离、端口安全、访问控制。（MAC地址在这一层）处理VLAN内的数据帧转发，跨VLAN间的访问，需要上升到网络层。
**物理层：**将数据最终编码为用0、1标识的比特流，然后传输。（例如将题主头像的图片，变为一串01100111100这样的数字来表示）。
OSI七层模型相关的协议已经很少使用，但模型本身非常通用，这里了解即可。
2.2、TCP/IP 四层模型
TCP/IP 四层模型是实际应用的核心，需逐一掌握每层的核心功能、典型协议、关键设备、数据单元、编程关注点，这直接关联后续网络编程、数据传输问题排查（如 CFD 多节点通信故障）。与OSI七层模型有所不同，如下图所示：
1、应用层：主要有负责web浏览器的HTTP协议， 文件传输的FTP协议，负责电子邮件的SMTP协议，负责域名系统的DNS等。
2、传输层：主要是有可靠传输 的TCP协议，特别高效 的UDP协议。主要负责传输应用层的数据包。
3、网络层：主要是IP协议。主要负责寻址（找到目标设备的位置）。
4、链路层：主要是负责转换数字信号和物理二进制信号。
用一个通俗点的例子讲，比如你要写要寄一个快递给你的朋友张三，你在快递单上写的内容对应的是应用层，传输层对应的是快递是否保价、是否签收、是否补发，网络层对应的是快递怎么跨城市、走哪条路线，链路层对应的是用什么交通工具来运快递，如下图所示：
| TCP/IP 层 | 快递系统里的角色 |
|---|---|
| 应用层 | 你写在快递单上的"内容和说明" |
| 传输层 | 快递是否保价、是否签收、是否补发 |
| 网络层 | 快递怎么跨城市、走哪条路线 |
| 网络接口层 | 卡车 / 飞机 / 传送带 |
TCP/IP 四层模型就像现代快递体系：应用层写清楚"送什么"，传输层保证"送得准不准"，网络层决定"怎么走"，网络接口层负责"怎么运"，各层分工明确，协同完成一次可靠通信。
2.3、TCP/IP协议族
从字面意义上来讲，TCP/IP是指传输层 的TCP协议和网络层 的IP协议。实际上，TCP/IP只是利用 IP 进行通信时所必须用到的协议群的统称。即他们都是基于IP协议，于是拿出最常用的TCP协议和IP协议组团，代表整个协议族出道。
具体来说，在网络层是IP/ICMP协议、在传输层是TCP/UDP协议、在应用层是SMTP、FTP、以及 HTTP 等。他们都属于 TCP/IP 协议。如下图所示： 
他们与 TCP 或 IP 的关系紧密，是实现互联网必不可少的组成部分。
所以TCP/IP 一词其实是泛指这些协议，TCP/IP 也被称为网际协议群。互联网进行通信时，需要相应的网络协议，TCP/IP 原本就是为使用互联网而开发制定的协议族。因此，互联网的协议就是 TCP/IP，TCP/IP 就是互联网的协议。
2.4、网络的封包和拆包
通过四层模型可以将应用层的具体数据传输给对应设备，比如，我们需要发送一个index.html 。两台电脑在应用层都使用HTTP协议（即都使用浏览器）。在传输层，TCP协议会将HTTP协议发送的数据看作一个数据包，并在这个数据包前面加上TCP包的一部分信息（部首）在网络层，IP协议会将TCP协议要发送的数据看作一个数据包，同样的在这个数据包前端加上IP协议的部首在数据链路层，对应的协议也会在IP数据包前端加上以太网的部首。
源设备和目标设备通过网线连接，就可以通过物理层的二进制传输数据。数据链路层，会使用对应的协议找到物理层的二进制数据，解码得到以太网的部首信息和对应的IP数据包，再将IP数据包传给上层的网络层。数据链路层>网络层>传输层>应用层，一层层的解码，最后就可以在浏览器中得到目标设备传送过来的index.html。
三、网络编程基础知识
3.1、Socket
Socket（套接字）是 操作系统内核提供的网络通信抽象接口，是连接应用层与传输层的桥梁，也是 Linux 网络编程的核心基础。其本质是一个 "文件描述符"（与文件、管道、设备等统一的 IO 模型），支持 "打开 - 读写 - 关闭" 的标准 IO 操作，屏蔽了底层 TCP/IP 协议栈的复杂细节，让应用程序能便捷地实现跨设备、跨网络的通信。
3.1.1、定义
1、Socket 是 "通信端点"：两个应用程序通过网络通信时，各自通过一个 Socket 标识自己（类似 "电话号码 + 分机号"），通信本质是 "两个 Socket 之间的数据交互"。
2、Socket 是 "协议无关接口"：同一套 Socket 接口可适配 TCP、UDP、原始协议等不同传输层协议，仅需在创建时指定协议类型。
3、Socket 遵循 "Everything is a file"：Linux 系统将所有 IO 资源抽象为文件描述符（整数），Socket 也不例外。因此 read()、write()、close()等文件操作函数可直接用于 Socket 通信，降低了编程复杂度。
4、Socket 位于 应用层与传输层之间，向上为应用程序提供标准化的通信接口，向下封装传输层协议（TCP/UDP）的实现细节（如三次握手、重传机制），让开发者无需关注底层协议栈的具体实现，仅需调用接口即可完成通信。
3.1.2、分类
Socket 按 "通信类型" 可分为三类，核心差异体现在传输层协议、可靠性、数据格式等方面，需根据应用场景选择：
1、流式套接字（SOCK_STREAM）：唯一对应TCP，提供了一个面向连接，可靠的数据传输服务，数据无差错，无重复的发送顺序接收。内射击流量控制，避免数据流淹没慢的接收方。数据被看作式字节流，无长度限制。
2、数据包套接字（SOCK_DGRAM）：唯一对应UDP，提供无连接服务器，数据包以独立数据包的形式被发送，不提供无差错保证，数据可能丢失或重复，顺序发送，可能乱序接收。
3、原始套接字（SOCK_RAW）：对应多个协议，发送穿透了传输层，可以对较低层次协议如IP，ICMP直接访问。
3.2、IP地址
IP 地址（Internet Protocol Address）是TCP/IP 协议栈网络层的核心地址标识，用于唯一标识互联网中设备（如 PC、服务器、传感器、路由器）的 "网络位置"，是跨网络数据传输的 "逻辑地址"------ 如同现实中的 "街道地址"，确保数据能从源设备准确路由到目标设备。
3.2.1、定义
IP 地址是32 位（IPv4）或 128 位（IPv6）的二进制数，为了便于人类阅读，通常转换为十进制（IPv4）或十六进制（IPv6）格式。每个数据包都必须携带目的IP地址和源IP地址，路由器依靠此信息为数据包选择路由。
表示的形式：常用点分形式，如202.38.64.10，最后都会转化成一个32位的无符号整数。
3.2.2、核心作用
1、设备标识：唯一标识网络中的终端设备或网络设备（如路由器接口）。
2、路由寻址：通过 IP 地址确定数据传输的路径（如从实验室 PC 到云端服务器，路由器通过 IP 地址选择路由）。
3、分层协作：IP 地址工作在网络层，与链路层的 MAC 地址（物理地址）配合 ------IP 负责 "跨网络寻址"，MAC 负责 "同一局域网内传输"（通过 ARP 协议实现 IP 与 MAC 的映射）。
3.2.3、与 MAC 地址的核心区别
区别如下： 
3.3、端口号
端口号（Port Number）是 TCP/IP 协议栈传输层 的核心标识，用于唯一区分同一设备上的不同网络应用程序（进程）。它与网络层的 IP 地址配合，构成 "IP 地址 + 端口号" 的完整通信端点（Socket 地址），确保数据能从源设备的某个进程准确传输到目标设备的对应进程 ------ 如同现实中 "街道地址 + 门牌号"，IP 地址定位 "大楼"，端口号定位 "房间"。
3.3.1、定义
端口号是 16 位无符号整数（取值范围：0~65535），由操作系统分配和管理，用于标识设备上的网络进程。
3.3.2、核心作用
1、 进程标识：同一设备上可能同时运行多个网络应用（如浏览器、FTP 客户端、仿真软件），端口号用于区分这些应用，确保数据不会发送到错误进程。
2、端到端通信：传输层协议（TCP/UDP）通过端口号实现 "进程到进程" 的通信，而非仅 "设备到设备"（IP 地址的作用）。
3、协议绑定：特定应用层协议通常默认使用固定端口号（如 HTTP 默认 80 端口），简化通信配置（无需手动指定端口）。
3.3.3、与 IP 地址的协同关系
1、完整通信端点：IP 地址+端口号（如192.168.1.100:8080），称为 "套接字地址"（Socket Address），是网络通信的唯一标识。
2、协同逻辑：IP 地址：负责跨网络路由，将数据从源设备送达目标设备（如从实验室 PC 到云端服务器）。端口号：负责设备内分发，将数据从目标设备的网络栈送达具体应用进程（如从服务器的网卡到仿真数据接收程序）。
示例：实验室 PC（IP：192.168.1.5，端口：54321）通过 TCP 连接访问云端服务器（IP：203.0.113.8，端口：8080），数据先通过 IP 路由到服务器，再通过端口 8080 交付给服务器上的仿真数据接收进程。
3.4、字节序
字节序是多字节数据在计算机内存中的存储顺序，核心解决 "如何将 16 位、32 位等多字节数据拆分为单个字节（8 位）存储" 的问题。由于不同 CPU 架构（如 x86、PowerPC、ARM）的字节序存在差异，跨设备 / 跨平台通信（如网络编程、多节点仿真数据传输）必须统一字节序标准，否则会导致数据解析错误（如端口号、IP 地址、仿真数值读取异常）。
3.4.1、本质
计算机最小存储单位是 "字节（Byte，8 位）"，但实际应用中需处理多字节数据（如 16 位端口号、32 位 IP 地址、32 位浮点数、64 位整数）。例如，数值0x12345678（32 位十六进制，对应十进制 305419896）由 4 个字节组成：0x12（高位字节）、0x34、0x56、0x78（低位字节）。字节序定义了这 4 个字节在内存中的排列顺序。
高位字节：多字节数据中权重较高的字节（如0x12345678中的0x12，对应 2^24~2^31 位）。
低位字节：多字节数据中权重较低的字节（如0x12345678中的0x78，对应 0~7 位）。
内存地址：计算机内存以字节为单位编址，每个字节对应唯一的内存地址（如0x00000000、0x00000001），地址从小到大递增。
3.4.2、字节序的分类与原理
字节序分为两类，核心差异在于 "高位字节与低位字节的存储地址顺序"：
1、小端序
定义：低位字节存低地址，高位字节存高地址（"小的在前"）。低对低，高对高。
存储示例：以 32 位数据0x12345678为例（内存地址从0x00开始）：
特点：符合人类 "从低位到高位" 的计算习惯（如加法先算低位）；主流 CPU 架构默认采用（x86、x86_64、ARMv7+（默认小端））。跨设备通信时需转换字节序（否则数据错乱）。
2、大端序
定义：高位字节存低地址，低位字节存高地址（"大的在前"）。高对低，低对高。
存储示例：同样 32 位数据0x12345678（内存地址从0x00开始）：
特点：字节顺序与数据的 "书写顺序" 一致，直观易读。网络通信的标准字节序 （TCP/IP 协议栈规定），所有网络传输的数据必须采用大端序。部分 CPU 架构支持（PowerPC、SPARC、ARMv7+（可配置为大端））。
3.4.3、网络编程中的字节序转换
1、为什么必须转换字节序
网络通信的本质是 "跨设备数据传输 "，不同设备可能采用不同字节序（如 x86 服务器（小端）与 ARM 传感器（小端）、PowerPC 服务器（大端）通信）。TCP/IP 协议栈规定：所有网络传输的数据（端口号、IP 地址、应用层数据）必须采用大端序（称为 "网络字节序"）。
结论：发送方：将 "主机字节序"（本地 CPU 的字节序）转换为 "网络字节序"（大端序）。
接收方：将 "网络字节序" 转换为 "主机字节序"，再解析数据。
2、核心转换函数
Linux 系统提供 4 个标准函数（头文件<netinet/in.h>），专门用于字节序转换，无需手动处理位运算：
|---------|-----------------------------------|-----------|-----------------------------------------------|
| 函数名 | 功能 | 输入 / 输出类型 | 适用场景 |
| htons() | Host to Network Short（主机→网络，16 位） | 16 位整数 | 端口号转换（如 8080→网络字节序） |
| htonl() | Host to Network Long（主机→网络，32 位） | 32 位整数 | IPv4 地址转换（如 INADDR_ANY→网络字节序）、32 位整数数据（如仿真数值） |
| ntohs() | Network to Host Short（网络→主机，16 位） | 16 位整数 | 接收端口号转换（如 UDP 客户端端口） |
| ntohl() | Network to Host Long（网络→主机，32 位） | 32 位整数 | 接收 IPv4 地址转换、32 位整数数据解析 |
h：Host（主机字节序）。
n：Network（网络字节序，大端）。
s：Short（16 位，对应端口号、16 位数据）。
l：Long（32 位，对应 IPv4 地址、32 位数据）。