4.4 网络：协议、IP 地址与 UDP 通信详解

1. 网络协议

网络通信双方约定的一套标准，称为网络协议。

2. OSI 通信协议模型

• 应用层：要传输的内容
• 表示层：对数据加密
• 会话层：是否建立会话链接
• 传输层：传输方式（TCP、UDP）
• 网络层：数据的路由
• 数据链路层：数据在局域网内的传输
• 物理层：物理介质的连接

3. TCP/IP 模型

• 应用层：传输的数据
• 传输层：传输的方式
• 网络层：数据如何由一台主机到达另一台主机
• 网络接口层：接口电器特性及接口标准

4. 常见协议

4.1 应用层协议

• HTTP：超文本传输协议
• HTTPS：加密 HTTP 协议
• TFTP：简单文件传输协议
• FTP：文件传输协议
• DNS：域名解析协议
• TELNET：远程登录
• SMTP：邮件传输协议

4.2 传输层协议

UDP（用户数据报协议）：

• UDP 传输简单
• UDP 占用资源比较小
• 不安全、不可靠
• UDP 是无连接的

TCP（传输控制协议）：

• TCP 传输机制复杂
• 通信之前三次握手建立连接
• 通信过程中有传输确认机制
• 通信结束时通过四次挥手结束连接
• 掉线检测、滑动窗口、拥塞控制来完成对通信过程的管理
• TCP 占用资源较大
• 安全可靠
• TCP 是有连接的

4.3 网络层协议

• IPV4
• IPV6
• ARP/RARP

5. IPV4 协议

5.1 IP 地址

IP 地址由网络位 + 主机位构成。

• 网络位：局域网编号
• 主机位：该局域网内的第几台主机

管理员表示形式：192.168.0.175

内存中的表示形式：11000000.10101000.00000000.10101111

网络位不变，主机位全为 0 表示该 IP 地址所在的局域网编号：192.168.0.0

该局域网内最多可以容纳 256-2 台主机（除了网段号：网络位不变，主机位全为 0；除了广播地址：网络位不变，主机位全为 1）。

192.168.0.175 IP 地址在 192.168.0.0 局域网中，广播地址为 192.168.0.255。

局域网内部通信通过 MAC 地址完成。MAC 地址：每个网卡出厂都会有一个属于该网卡的唯一识别的地址，该地址不会冲突。

子网掩码：搭配 IP 地址来使用，用来区分网络位和主机位的。子网掩码是 1 的部分对应 IP 地址的网络位，子网掩码是 0 的部分对应 IP 地址的主机位。

5.2 IP 地址分类

IP 地址：192.168.0.175 11000000.10101000.00000000.10101111

子网掩码：255.255.255.0 11111111.11111111.11111111.00000000

192.168.0.175/24

类别	地址范围	子网掩码	管理规模	私有地址
A 类	1.0.0.0 - 126.255.255.255	255.0.0.0	超大规模型网络	10.0.0.0 - 10.255.255.255
B 类	128.0.0.0 - 191.255.255.255	255.255.0.0	大中规模型网络	172.16.0.0 - 172.31.255.255
C 类	192.0.0.0 - 223.255.255.255	255.255.255.0	中小规模型网络	192.168.0.0 - 192.168.255.255
D 类	224.0.0.0 - 239.255.255.255	-	用于组播和广播	-
E 类	240.0.0.0 - 255.255.255.255	-	用于实验用途	-

公有 IP 地址：能够直接上互联网的 IP 地址。

私有 IP 地址：不能直接上互联网的 IP 地址。

6. 网络相关命令

6.1 查看网卡信息

ifconfig
ifconfig -a

6.2 设置 IP 地址

1. NAT 模式

• Windows 有网，虚拟机就有网
• Windows 有独立的 IP 地址，Ubuntu 的地址是虚拟的
• 因为 Ubuntu 的 IP 地址是虚拟机的，所以不能作为服务器来使用（别人无法通过网络访问这台主机，但主机可以主动访问别人）
• 此模式使用场景：让 Ubuntu 能够上网，但无法作为服务器使用

2. 桥接模式

• Windows 和虚拟机都使用网卡，该网卡会有 2 个 IP 地址，一个供 Windows 使用，一个供 Ubuntu 使用
• Ubuntu 既可以访问别人，也可以在局域网中供别人访问
• 同一台设备（网卡）会占据 2 个 IP 地址，在需要账号登录的场景下，无法同时保证 Windows 和 Ubuntu 能够上网

3. 设置为桥接模式

1. 将虚拟机设置为桥接模式
2. 将虚拟机网卡桥接到无线网卡下

4. 配置 IP 地址（Ubuntu 18.04）

1. 打开网卡配置文件
2. 将网卡设置为 DHCP 模式
3. 保存退出
4. 重启网络配置
5. 通过 ifconfig 查看 IP 地址
6. 测试与百度是否连通

sudo vim /etc/network/interfaces

auto lo
iface lo inet loopback

auto ens33
iface ens33 inet dhcp

ESC :wq

sudo shutdown -r now

ifconfig
ping www.baidu.com

5. 命令直接设置 IP 地址

如果以上方法均无法设置 IP 地址，可利用命令直接设置 IP 地址（注意：此命令过一段时间就无效了，所以需要隔一段时间就重新设置一次）。

sudo ifconfig 网卡名 IP地址/24 up
sudo ifconfig ens33 192.168.0.125/24 up

7. UDP 通信

7.1 UDP 发端流程

1. socket
2. sendto
3. recvfrom

7.2 函数接口

1. socket

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

功能：创建一个用来通信的终端节点套接字

参数：

• domain：协议族 IPV4 AF_INET
• type：
  • SOCK_STREAM：流式套接字 TCP
  • SOCK_DGRAM：数据报套接字 UDP
  • SOCK_RAW：原始套接字
• protocol：0 默认套接字类型对应的协议

返回值：成功返回新的文件描述符，失败返回 -1

2. sendto

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

功能：发送消息

参数：

• sockfd：套接字的文件描述符
• buf：发送数据空间的首地址
• len：发送数据的长度
• flags：属性，默认为 0
• dest_addr：目的地址空间的首地址
• addrlen：目的地址的长度

返回值：成功返回发送的字节数，失败返回 -1

3. struct sockaddr_in

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;   /* 协议族 */
    in_port_t sin_port;       /* 端口号 */
    struct in_addr sin_addr;  /* IP地址 */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t s_addr;          /* address in network byte order */
};

4. htons

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

功能：将本地字节序转换为网络的大端字节序

参数：hostshort：本地字节序

返回值：成功返回网络大端字节序

5. inet_addr

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

功能：将字符串 IP 地址转换为网络的大端字节序二进制地址

参数：cp：IP 地址字符串首地址

6. bind

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

功能：将 IP 地址 + 端口号与套接字绑定

参数：

• sockfd：套接字文件描述符
• addr：绑定的 IP 地址空间首地址
• addrlen：长度

返回值：成功返回 0，失败返回 -1

注意：bind 只能绑定本机的 IP 地址，不能绑定别人的 IP 地址；如果一个端口号已经被占用，不能重复绑定。

7. recvfrom

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

功能：接收信息

参数：

• sockfd：套接字文件描述符
• buf：存放数据空间的首地址
• len：最多接收字符的个数
• flags：属性，默认为 0
• src_addr：存放发送端 IP 地址端口号空间的首地址
• addrlen：最多接收 IP 地址的长度

返回值：成功返回接收的字节数，失败返回 -1

8. inet_ntoa

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

功能：将二进制大端字节序 IP 地址转换为字符串 IP 地址

8. 作业

编写 clientA.c 和 clientB.c 实现双方聊天功能。

• clientA.c 绑定 IP 地址 + 端口
• clientB.c 绑定 IP 地址 + 端口