Linux 网络编程入门（一）：从 OSI 模型到 TCP Socket 编程

xxy222412026-08-26 13:26

前言：

本文是 Linux 网络编程 Day01 的学习笔记，涵盖了网络通信的基础概念、OSI 七层模型、TCP/IP 协议栈，以及基于 TCP 的 Socket 编程实战。

一、为什么要学网络编程？

1.1 进程间通信（IPC）的两大场景

在 Linux 系统编程中，进程间通信（IPC）分为两类：

同一主机内的通信：

类型 方式
传统方式 有名管道、无名管道、信号
System V IPC 共享内存、信号量、消息队列

不同主机间的通信：

类型 方式
网络通信 Socket（套接字）

核心问题：如何解决不同主机间两个进程的通信问题？

这个问题需要从两个层面来解决：

  • 物理通路：线路保障连接（光纤、网线、无线、5G）
  • 逻辑通路：从编程（软件）层面建立一条通路

二、网络基础概念

2.1 早期网络：ARPA（阿帕网）

早期的 ARPA 网络使用 NCP（Network Control Protocol）协议，存在三个问题：

  1. 1.不支持不同类型的操作系统
  2. 2.不支持不同类型的计算机之间的通信
  3. 3.不支持纠错功能

2.2 OSI 七层模型

为了解决不同体系结构网络的互联问题，国际标准化组织 ISO 于 1981 年制定了 OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model）------开放系统互连参考模型。

说明：OSI 是理想模型，尚未完全实现。

每一层都有三个要素：功能 、协议 （通信双方规定的格式）、设备。

复制代码 
┌─────────────────────────────────────────────┐
│  7. 应用层    │ 最靠近用户，提供网络服务（邮件、文件传输等）      │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  6. 表示层    │ 数据格式化、加密解密（gzip）              │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  5. 会话层    │ 连接状态管理（长连接、短连接、keep-alive）   │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  4. 传输层    │ 传输控制协议（TCP / UDP）                │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  3. 网络层    │ 路由器，路径选择，IP 寻址                  │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  2. 数据链路层 │ 交换机，帧传输，差错控制                    │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  1. 物理层    │ bit 流传输，电气特性，网线/光纤标准           │
└─────────────────────────────────────────────┘

各层详细说明：

层 功能 数据单位 关键词
物理层 定义物理设备标准，传输比特流（数模/模数转换） 比特（bit） 网线、光纤、高低电平
数据链路层 帧格式化传输、错误检测和纠正 帧（frame） 交换机、全双工、校验
网络层 不同地理位置的主机之间的连接和路径选择 数据段/包 路由器、IP 地址
传输层 数据分段传输和重组，定义传输协议和端口号 段（segment） TCP、UDP、端口号
会话层 通过端口号建立数据传输通路，发起/接受会话请求 - 会话管理、keep-alive
表示层 确保不同系统应用层信息可互相读取，数据格式转换 - 编码转换（ASCII/BCD）
应用层 为用户应用程序提供网络服务 报文（datagram） HTTP、FTP、DNS

2.3 TCP/IP 四层模型（实际使用）

TCP/IP 模型是实用模型，是工业标准：

复制代码 
┌─────────────────────────────────────────────┐
│  应用层       │  应用程序（HTTP、FTP、DNS...）     │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  传输层       │  端口号（TCP / UDP）              │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  网络层       │  IP 地址                         │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  网络接口层    │  网卡、驱动                       │
└─────────────────────────────────────────────┘

还有一种非标准的 五层模型（OSI 与 TCP/IP 的折中）：

复制代码 
应用层 → 传输层 → 网络层 → 数据链路层 → 物理层

2.4 TCP/IP 协议族

层 常见协议
应用层 HTTP、TFTP、FTP、SNMP、DNS
传输层 TCP、UDP
网络层 IP、ICMP（ping）、RIP、OSPF、IGMP
网络接口层 ARP、RARP

2.5 网络地址

IP 地址：

  • 网络中主机的唯一标识，由网络地址 + 主机号组成

  • IPv4 中 IP 地址是 32 位二进制数，采用大端字节序

  • 表示方法：点分十进制 （如 192.168.1.1）

    192.168.1.1
    = 11000000.10101000.00000001.00000001

子网掩码： 用来区分网络号，也可以获取主机号。

端口号： 用来标识一个网络进程。

  • 在网络中找到主机 → 靠 IP 地址
  • 找到主机中的进程 → 靠端口号

字节序：

类型 说明
大端 高字节存低地址
小端 低字节存低地址
网络字节序 大端字节序

常用转换函数：

  • htons() ------ 将端口号转换为网络字节序
  • inet_addr() ------ 将 IP 地址转换为网络字节序

三、TCP 与 UDP 协议

3.1 TCP 协议

TCP（Transmit Control Protocol），类似打电话。

三大特点：

  1. 1.面向连接：通信前必须建立逻辑通路
  2. 2.可靠传输：无丢失、无失序、无差错、无重复
  3. 3.字节流传输

TCP 三次握手（建立连接）：

复制代码 
  客户端                          服务器
    |                               |
    |  ---- 1. 我要通话 (SYN) --->  |   客户端发送连接请求
    |                               |
    |  <-- 2. 好的，知道了 (SYN+ACK) |   服务器确认，可以通信
    |                               |
    |  ---- 3. 嗯，好的 (ACK) --->  |   客户端确认，连接建立
    |                               |

为什么是三次而不是两次或四次？------ 三次握手才能实现可靠的连接。

应用场景：

  1. 1.对可靠性要求较高的场合
  2. 2.QQ、微信等软件的登录过程

3.2 UDP 协议

UDP（User Datagram Protocol），类似生活中的广播。

三大特点：

  1. 1.无连接 ------ 不需要建立连接
  2. 2.不可靠传输 ------ 不保证数据到达
  3. 3.数据报 ------ 一包一包发送

应用场景：

  1. 1.小数据，实时性要求高（QQ 文本消息、语音）
  2. 2.广播、组播
  3. 3.无线网络传输

3.3 TCP vs UDP 对比

特性 TCP UDP
连接 面向连接（三次握手） 无连接
可靠性 可靠（无丢失/失序/差错/重复） 不可靠
传输方式 字节流 数据报
速度 相对较慢 快
典型应用 文件传输、登录认证 聊天消息、音视频、游戏

四、网络编程模型

4.1 三种模型

模型 全称 说明
CS 模型 Client/Server 客户端/服务器模型（重点）
BS 模型 Browser/Server 浏览器/服务器模型
P2P 模型 Peer to Peer 点对点模型

4.2 Linux 中 Socket 的位置

复制代码 
┌──────────────────────────────┐
│  用户空间  │  应用层（应用程序）│
├──────────────────────────────┤
│            │ ===============  │
│  内核空间  │  socket 接口层   │
│            │  传输层          │
│            │  网络层（协议栈） │
│            │  链路层          │
│            │  物理层          │
└──────────────────────────────┘

Socket 的两层含义：

  1. 1.是一个函数接口 ------ 用来使用网络功能
  2. 2.遵循 Linux "一切皆文件"的思想 ------ socket 也是一种特殊的文件，专门用来进行网络通信

五、TCP CS 通信模型

5.1 通信过程（两个阶段）

阶段一：建立连接 阶段二：通信

5.2 客户端流程

复制代码 
1. socket()    // 买手机
2. connect()   // 拨打电话（连接服务器）
3. read()/write()  // 通信
4. close()     // 挂电话

bind() 对客户端是可选的，一般不绑定。

5.3 服务器端流程

复制代码 
1. socket()    // 买手机
2. bind()      // 插 SIM 卡（绑定服务器地址信息）
3. listen()    // 待机（监听是否有客户端连接）
4. accept()    // 接听电话（处理客户端的连接请求，完成连接建立）
5. read()/write()  // 通信
6. close()

注意： 客户端只有 1 个 socket；服务器有 2 个 socket：一个用于监听，一个用于通信。

5.4 核心 API 详解

socket() ------ 创建通信端
复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);
参数 取值 说明
domain AF_UNIX / AF_LOCAL 本地通信
AF_INET IPv4 网络通信
AF_INET6 IPv6 网络通信
type SOCK_STREAM 流式套接字（TCP）
SOCK_DGRAM 数据报套接字（UDP）
protocol 0

回 socket 文件描述符，失败返回 -1 并设置 errno

connect() ------ 发起连接请求（客户端）
复制代码 
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno
bind() ------ 绑定地址信息（服务器）
复制代码 
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 功能：给 sockfd 绑定一个名字（地址信息）
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno
listen() ------ 设置监听（服务器）
复制代码 
int listen(int sockfd, int backlog);
  • 功能：将 sockfd 设置为监听套接字（被动套接字）
  • backlog：等待队列的大小
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno
accept() ------ 接受连接（服务器）
复制代码 
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
  • 功能：从 listen 的等待队列中提取第一个连接请求，完成连接，创建已连接的 socket 并返回其 fd
  • addrlen：值-结果参数 ，必须初始化为 sizeof(客户端地址类型)
  • 返回值：成功返回已连接好的 socket 的 fd，失败返回 -1
地址结构体
复制代码 
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
};

struct in_addr {
    in_addr_t s_addr;            // IP 地址（网络字节序）
};
辅助函数
复制代码 
// 将主机字节序的端口号转换为网络字节序
uint16_t htons(uint16_t hostshort);

// 将点分十进制 IP 字符串转换为网络字节序的 IP 地址
in_addr_t inet_addr(const char *cp);

// 将网络字节序的 IP 地址转换为点分十进制字符串
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

六、代码实战

6.1 基础版本：服务器接收，客户端发送

服务端 server_recv.c

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{

	//1.创建通信端
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}

	printf("fd = %d\n",fd);

	struct sockaddr_in seraddr; //服务器地址
    bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));
	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(50000);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.10.129");
	//2.绑定服务器地址信息
	if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}

	//3.设置监听
	if (listen(fd,5) < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}

	struct sockaddr_in cliaddr;
	socklen_t addrlen = sizeof(cliaddr);
	int connfd=accept(fd, ( struct sockaddr *)&cliaddr, &addrlen);
	//4.获取连接请求 建立 已连接的socket
	//int connfd = accept(fd,NULL,NULL);
	if (connfd < 0)
	{
		perror("accept fail");
		return -1;
	}
	printf("accept success\n");
	printf("-------------------\n");
	printf("cliaddr ip  = %s\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));
	printf("port        = %d\n", ntohs(cliaddr.sin_port));
	printf("-------------------\n");

	char buf[1024] = {0};
	while (1)
	{
		read(connfd,buf,sizeof(buf));
		printf("buf = %s\n",buf);
	}

	return 0;
}

客户端 client_send.c：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{

	//1.创建通信端
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}

	printf("fd = %d\n",fd);

	struct sockaddr_in seraddr; //服务器地址
    bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));
	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(50000);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.10.129");
	//2.建立连接
	if (connect(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}

	write(fd,"hello tcp!\n",11);
	return 0;
}

6.2 进阶版本：服务器回显消息

服务端 server_echo.c：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{

	//1.创建通信端
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}

	printf("fd = %d\n",fd);

	struct sockaddr_in seraddr; //服务器地址
    bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));
	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(50000);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.10.129");
	//2.绑定服务器地址信息
	if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}

	//3.设置监听
	if (listen(fd,5) < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}

	struct sockaddr_in cliaddr;
	socklen_t addrlen = sizeof(cliaddr);
	int connfd=accept(fd, ( struct sockaddr *)&cliaddr, &addrlen);
	//4.获取连接请求 建立 已连接的socket
	if (connfd < 0)
	{
		perror("accept fail");
		return -1;
	}
	printf("accept success\n");
	printf("-------------------\n");
	printf("cliaddr ip  = %s\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));
	printf("port        = %d\n", ntohs(cliaddr.sin_port));
	printf("-------------------\n");

	char buf[1024] = {0};
	while (1)
	{
		read(connfd,buf,sizeof(buf));
		char sbuf[1024] = {0};
		sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);
		write(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1);
	}

	return 0;
}

客户端 client_echo.c：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{

	//1.创建通信端
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}

	printf("fd = %d\n",fd);

	struct sockaddr_in seraddr; //服务器地址
    bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));
	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(50000);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.10.129");
	//2.建立连接
	if (connect(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}
	char buf[1024] = {0};
	while (1)
	{
		printf("> ");
		fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
		write(fd,buf,strlen(buf)+1);
		read(fd,buf,sizeof(buf));
		printf("recv: %s\n",buf);
	}
	return 0;
}

6.3 点对点聊天版本（fork 多进程）

思路：使用 fork() 创建子进程，父进程负责发送消息 ，子进程负责接收消息，实现双向通信。

客户端 client_chat.c：

c

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{

	//1.创建通信端
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}

	printf("fd = %d\n",fd);

	struct sockaddr_in seraddr; //服务器地址
    bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));
	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(50000);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.10.129");
	//2.建立连接
	if (connect(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}
	char buf[1024] = {0};
	while (1)
	{
		printf("> ");
		fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
		write(fd,buf,strlen(buf)+1);
	}
	return 0;
}

服务端 server_chat.c：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{

	//1.创建通信端
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail");
		return -1;
	}

	printf("fd = %d\n",fd);

	struct sockaddr_in seraddr; //服务器地址
    bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));
	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(50000);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.10.129");
	//2.绑定服务器地址信息
	if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}

	//3.设置监听
	if (listen(fd,5) < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}

	struct sockaddr_in cliaddr;
	socklen_t addrlen = sizeof(cliaddr);
	int connfd=accept(fd, ( struct sockaddr *)&cliaddr, &addrlen);
	//4.获取连接请求 建立 已连接的socket
	if (connfd < 0)
	{
		perror("accept fail");
		return -1;
	}
	printf("accept success\n");
	printf("-------------------\n");
	printf("cliaddr ip  = %s\n",inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));
	printf("port        = %d\n", ntohs(cliaddr.sin_port));
	printf("-------------------\n");

	char buf[1024] = {0};
	while (1)
	{
		read(connfd,buf,sizeof(buf));
		printf("buf = %s\n",buf);
	}

	return 0;
}
复制代码

双向聊天的 fork 设计模式：

text

复制代码 
客户端/服务器 均使用 fork：
├── 父进程 → 负责发送消息
└── 子进程 → 负责接收消息

这样收发互不阻塞，实现真正的聊天。

6.4 字节序转换示例

test_htons.c：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{

	unsigned short a = 0x1234;
	int ret = htons(a);
	printf("ret = %#x\n",ret);
	return 0;
}

七、编译与运

cs 复制代码 
# 编译
gcc server_recv.c -o server_recv
gcc client_send.c -o client_send
gcc server_echo.c -o server_echo
gcc client_echo.c -o client_echo

# 运行顺序：先启动服务器，再启动客户端
./server_recv
./client_send

# 点对点聊天
./server_chat &
./client_chat

八、总结

知识点 要点
OSI 模型 7 层：物理→数据链路→网络→传输→会话→表示→应用
TCP/IP 模型 4 层：网络接口→网络→传输→应用
TCP 面向连接、可靠、字节流、三次握手
UDP 无连接、不可靠、数据报
服务器流程 socket → bind → listen → accept → read/write → close
客户端流程 socket → connect → read/write → close
双向通信 使用 fork（多进程）或 pthread（多线程）分别负责收和发
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