【Linux】 Linux网络编程入门：Soket编程详解

wheeldown2026-01-19 7:06

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文章目录

    • 一、端口号：网络通信的"门牌号"
      • [1.1 底层实现原理](#1.1 底层实现原理)
      • [1.2 端口号 vs PID：解耦的两个标识](#1.2 端口号 vs PID：解耦的两个标识)
      • [1.3 IP+端口](#1.3 IP+端口)
      • [1.4 Socket：IP+端口的组合体](#1.4 Socket：IP+端口的组合体)
      • [1.5 端口号范围划分](#1.5 端口号范围划分)
      • [1.6 端口号和进程ID的关联](#1.6 端口号和进程ID的关联)
      • [1.7 源端口号 vs 目的端口号](#1.7 源端口号 vs 目的端口号)
      • [1.8 用"唐僧取西经"理解Socket](#1.8 用“唐僧取西经”理解Socket)
      • [1.9 传输层核心：TCP vs UDP](#1.9 传输层核心：TCP vs UDP)
    • 二、网络字节序：大端与小端
      • [2.1 大端/小端的定义](#2.1 大端/小端的定义)
      • [2.2 速记法](#2.2 速记法)
      • [2.3 解决大小端问题：网络字节序约定](#2.3 解决大小端问题：网络字节序约定)
      • [2.4 大小端转换的接口](#2.4 大小端转换的接口)
    • 三、Socket编程接口：网络通信的"工具集"
      • [3.1 常见API](#3.1 常见API)
      • [3.2 网络通信的本质](#3.2 网络通信的本质)
      • [3.3 三种套接字](#3.3 三种套接字)
      • [3.4 sockaddr结构：统一的地址格式](#3.4 sockaddr结构：统一的地址格式)
    • [四、UDP实战：实现Echo Server（回显服务器）](#四、UDP实战：实现Echo Server（回显服务器）)

Socket（套接字）编程是让不同设备上的进程实现网络通信的核心方法，本质就是操作系统提供了一套标准化的 API，让我们能通过代码控制 "进程如何通过网络收发数据"，全程不用关心底层网络硬件、协议细节，只需要按规则调用接口就行。

一、端口号：网络通信的"门牌号"

端口号说白了就是操作系统给网络进程分配的唯一标识，就像你家的门牌号

数据从网络过来，靠端口号才能精准找到要交给哪个程序处理，没它数据就成了"无家可归"的流浪包。

1.1 底层实现原理

端口号不是凭空来的，内核会通过专门的数据结构管理端口和进程的关联，简单说就是维护一张"端口-进程"映射表，数据来了先查这张表，再递交给对应进程，保证不会发错对象。

1.2 端口号 vs PID：解耦的两个标识

我一开始总把这俩弄混，后来找了个通俗比喻就懂了：

PID（进程ID）是进程在本机的"校内学号"，只在这台机器上有用；

端口号是进程在网络中的"身份证号"，跨设备通信全靠它。这种设计让网络和本地进程标识解耦，哪怕进程的PID变了，只要端口号不变，网络通信就不受影响。

1.3 IP+端口

IP地址负责定位网络中的设备（比如"北京市朝阳区XX小区"），端口号负责定位设备上的进程（比如"小区里的101室"）。

一次完整的网络通信，必须靠{源IP，源port，目的IP，目的端口号}这四元组，才能唯一确定"谁给谁发数据"。

1.4 Socket：IP+端口的组合体

Socket（套接字）本质就是"IP地址+端口号"的组合，是应用程序和网络打交道的"接口"------有了Socket，

进程才能和外部设备建立连接、传输数据，没它程序就是"闭门造车"，没法和外界通信。

1.5 端口号范围划分

端口号是16位整数，范围0~65535，不同区间有固定用途，避免端口占用冲突

具体划分看这张图就清楚了：

1.6 端口号和进程ID的关联

这里要记两个关键点：一个进程可以占用多个端口（比如一个服务同时监听TCP和UDP端口），但一个端口同一时间只能被一个进程占用

不然数据过来，内核都不知道该交给谁。

1.7 源端口号 vs 目的端口号

  • 源端口号：发送方随机分配的临时端口，作用是接收对方的响应数据（比如你给服务器发请求，源端口就是"你的回邮地址"）；

  • 目的端口号：接收方提供服务的固定端口（比如HTTP服务的80端口），是数据要到达的"最终目的地"。

1.8 用"唐僧取西经"理解Socket

要是还觉得抽象，就用这个例子类比：

西天 = 目的IP（定位"如来"所在的设备）；如来的莲台 = 目的端口（定位"如来"这个进程）；东土大唐 = 源IP；唐僧的行囊 = 源端口；Socket = 西天+莲台（或东土大唐+行囊）

保证唐僧能精准找到如来，完成"数据传递"。

1.9 传输层核心：TCP vs UDP

从这两张图能明确：传输层属于系统内核，我们要通过网络通信，就得调用它提供的 TCP/UDP 协议。

先看 TCP，它是传输层协议，核心特点是 "有连接、可靠传输、面向字节流"------ 通信前得先建立连接，能保证数据不丢、不错、不乱序，像 "稳定的管道" 一样连续传数据。

再看 UDP，同样是传输层协议，但它是 "无连接、不可靠传输、面向数据报"------ 不用建立连接直接发数据，不保证对方能收到，像 "对讲机喊话"，简单直接但没保障。

字节流的读写特点

TCP是"字节流"协议，我总结下来就是：写数据像往水管里放水，连续写就行，特别简单；读数据像接水，不知道啥时候接完，还得处理"粘包"，贼麻烦。

可靠传输 vs 不可靠传输
  • 可靠传输（TCP）：会解决丢包、超时、乱序这些问题，靠校验、重传、确认等机制，保证数据一点不差到达；
  • 不可靠传输（UDP）：不管这些，数据发出去就不管了，丢了也不重传，乱了也不调整。
为啥还要保留UDP？

我一开始也纳闷，既然UDP不可靠，为啥不都用TCP？

后来才懂：TCP为了可靠，协议复杂、占资源多（还要建立连接、维护状态）；UDP简单、无连接、速度快，开发周期短，适合直播、语音通话这种"能容忍少量丢包，但要实时"的场景。

我们直播中也会选择udp or tcp的协议的选项

二、网络字节序：大端与小端

不同设备存储数据的方式不一样，就像有人从左写字，有人从右写字，网络通信必须统一"写字顺序"，不然数据传过去就成了"乱码"。

2.1 大端/小端的定义

  • 大端：数据的高位存在低内存地址（比如数字12，"1"在低地址，"2"在高地址）；
  • 小端：数据的低位存在低内存地址（数字12，"2"在低地址，"1"在高地址）。
    简单记：12存在最下面的是大端。

2.2 速记法

记不住大小端？看这张图的速记技巧，一眼就能分清：

2.3 解决大小端问题：网络字节序约定

市面上大小端设备都有，为了通信统一，规定：所有发往网络的数据，必须是大端（网络字节序） 。发送方要把本机字节序转成网络字节序，接收方再转回来，这样就不会解析错了。

补充一个关键点：

  • 网络传输规则：先发低地址数据，后发高地址数据；

2.4 大小端转换的接口

不用自己写转换逻辑，系统提供了现成的接口，直接调用就行：

三、Socket编程接口：网络通信的"工具集"

Socket是操作系统给的网络编程接口，核心要记住：网络通信的本质，其实是"跨设备的进程间通信"。

3.1 常见API

Socket编程的核心函数都在这张图里，是入门的基础：

cpp 复制代码 
// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP，客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);

// 绑定端口号 (TCP/UDP，服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

// 开始监听socket (TCP，服务器)
int listen(int socket, int backlog);

// 接收请求 (TCP，服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);

// 建立连接 (TCP，客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

3.2 网络通信的本质

别被"网络通信"唬住，其实就是不同设备上的进程在说话。

大家看这张图，展示的是TCP三次握手的过程，这本质就是两个设备上的进程，通过网络建立连接、准备通信的过程

说到底，网络通信就是跨设备的进程间通信（IPC），和本地用管道、共享内存通信的核心目的一致，只是媒介换成了网络。

别把"三次握手"和"通信本质"搞混，三次握手是TCP实现可靠通信的手段，不是本质哦。

3.3 三种套接字

Socket分三类，但重点学网络套接字就行------学会网络套接字，本地套接字自然就会了，没必要单独花时间。

这张图展示的是TCP四次挥手，刚好对应上面的三次握手，是TCP断开连接的过程。大家可以结合着记：TCP通信有始有终，建立连接用三次握手，断开连接用四次挥手。

我们说的本地套接字和网络套接字，和这个挥手过程没关系

核心区别是通信范围------本地只能在同一台机器，网络能跨设备。新手千万别把"连接断开过程"和"套接字分类"混为一谈，这是很容易踩的坑！

3.4 sockaddr结构：统一的地址格式

为了兼容不同类型的套接字，系统设计了sockaddr基类结构，有点像C++的"继承多态"，网络接口会自动区分你是要本地通信还是网络通信。

这张图是TCP的状态机，展示了TCP从建立连接到断开连接的各种状态（比如ESTABLISHED、TIME_WAIT）

虽然和sockaddr结构不直接相关，但能帮大家理解TCP的可靠性------正因为有这些状态管理，TCP才能保证数据可靠传输。

sockaddr结构的作用，是让内核知道你要用哪种方式通信：是AF_INET的网络通信，还是AF_UNIX的本地通信，内核会根据结构里的字段自动区分，不用我们手动指定，

sockaddr结构的设计思路

这里有个小知识点：为啥不用void*，非要用C语言模拟"基类"？

  • 一是可读性更高；
  • 二是设计这个结构的时候，void*还没普及。

四、UDP实战：实现Echo Server（回显服务器）

光懂理论没用，动手写个最简单的UDP回显服务器，就能把前面的知识点串起来------客户端发啥，服务器就回啥，新手入门超合适。

4.1 项目文件结构

先看整体文件组织，清晰的结构能少踩很多坑：

4.2 Makefile：一键编译

写个Makefile，不用每次手动敲编译命令，一键搞定客户端和服务器：

cpp 复制代码 
.PHONY:all
all:udpclient udpserver

udpclient:UdpClient.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++17

udpserver:UdpServer.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++17

.PHONY:clean
clean:
	rm -f udpclient udpserver

4.3 核心代码文件

  • 客户端代码（udpClient.cc）：负责发送数据到服务器，再接收回显；
cpp 复制代码 
#include <iostream>
int main()
{
    return 0;
}
  • 服务器头文件（udpServer.hpp）：封装UDP服务器的核心逻辑；
cpp 复制代码 
#pragma once

class UdpServer
{
public:
    UdpServer()
    {}
    void Init()
    {}
    void Start()
    {}
    ~UdpServer()
    {}
private:
};

udpSever实现代码：

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include "Log.hpp"

using namespace LogModule;

const int defaultfd = -1;

class UdpServer
{
public:
    UdpServer():_sockfd(defaultfd)
    {}
    void Init()
    {
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        if(_sockfd < 0)
        {
            LOG(LogLevel::FATAL) << "socket error!";
            exit(1);
        }
        LOG(LogLevel::INFO) << "socket success, sockfd : " << _sockfd;
    }
    void Start()
    {}
    ~UdpServer()
    {}
private:
    int _sockfd;
};

UDP绑定Socket套接字

cpp 复制代码 
LOG(LogLevel::INFO) << "socket success, sockfd : " << _sockfd;

// 2. 绑定socket信息，ip和端口，ip(比较特殊，后续解释)
// 2.1 填充sockaddr_in结构体
struct sockaddr_in local;
bzero(&local, sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(8080);  // 补充：指定端口（如8080），需转网络字节序
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 补充：绑定所有本地IP
关键字段解析
字段	补充内容	说明
  • 服务器源文件（udpServer.cc）：实现头文件声明的方法，核心是绑定端口、接收数据、回显数据；
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <memory>
#include "UdpServer.hpp"

int main()
{
    std::unique_ptr<UdpServer> usvr = std::make_unique<UdpServer>();
    usvr->Init();
    usvr->Start();
    return 0;
}

4.4 核心接口详解

socket函数（UDP）

socket是创建 UDP 套接字的核心函数，其作用是为进程间通信创建一个 "端点"。

在 UDP 场景下，调用它时需指定三个关键参数：

  • domain填AF_INET（表示使用 IPv4 网络协议）
  • type填SOCK_DGRAM（表示创建 UDP 类型的套接字）
  • protocol填 0（默认使用与type匹配的协议）。

函数执行后，会返回一个套接字描述符（类似文件描述符），后续的绑定、收发数据等操作都需要通过这个描述符来完成，是 UDP 网络通信的基础入口

  • 返回值：成功返回套接字描述符，失败返回-1；
  • 头文件：使用socket函数必须包含的头文件；
sockaddr_in结构

存储网络地址的结构体，是sockaddr的"子类"，必须掌握：

宏替换：简化字节序转换

系统提供的宏，能让字节序转换更简洁，不用自己写繁琐的转换逻辑：

1. ##的功能

##是宏定义中的 "符号连接运算符"，可以将其两侧的符号拼接为一个新的标识符，用于从分离的文本片段创建自定义标识。

  1. 示例解析

宏定义：

cpp 复制代码 
#define ADD_TO_SUM(num, value) \
    sum##num += value;

Socket使用的完整片段：

cpp 复制代码 
LOG(LogLevel::INFO) << "socket success, sockfd : " << _sockfd;

// 2. 绑定socket信息，ip和端口，ip(比较特殊，后续解释)
// 2.1 填充sockaddr_in结构体
struct sockaddr_in local;
bzero(&local, sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
// 端口转换为网络字节序
local.sin_port = htons(_port);
// IP转换为网络字节序（将字符串格式的IP转为4字节网络序）
local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());

// 调用bind绑定Socket与IP、端口
int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));
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