【linux应用软件编程】进程间的通信方式2【网络通信从入门到UDP编程】

susplus2026-09-03 9:23

文章目录

网络通信

一、网络通信的基本概念

网络通信：不同主机间的进程间通信。

  1. 主机1和主机2在物理层面互联互通；
  2. 主机1和主机2在软件层面互联互通。

传输一个数据一般会包括下面几个信息：

IP地址：计算机的软件地址，标记主机

MAC地址：计算机的硬件地址，局域网内通信

端口号：识别同一主机上的不同网络进程

二、OSI七层模型（理论模型）

OSI：开放系统互联模型

  1. 应用层；要传输的数据信息，如文件传输，电子邮件等。
  2. 表示层；数据加密，解密操作，压缩，解压缩。
  3. 会话层；建立数据传输通道。
  4. 传输层；传输的方式 UDP TCP 端口号。
  5. 网络层；实现数据路由 路径规划 路由器 ip。
  6. 数据链路层；封装成帧，点对点通信（局域网内通信） 差错检测 交换机 ARP
  7. 物理层；定义物理设备标准，比如网线、光纤等传输介质 传输比特流 bit 0 1

三、TCP/IP模型（生产模型）

3.1 四层模型：

应用层：应用层、表示层、会话层

传输层：传输层

网络层：网络层

网络接口层：数据链路层、物理层

3.2 五层模型：

应用层：应用层、表示层、会话层

传输层：传输层

网络层：网络层

数据链路层：数据链路层

物理层：物理层

3.3 各层常用的一些协议

  • 应用层 ：

    HTTP协议：超文本传输协议（超文本：集链接、图片、文字音视频等一体的文件。）

    HTTPS协议：超文本传输协议（SSL加密）

    FTP：文件传输协议（TCP）

    TFTP：简单传输协议（UDP）

    DNS服务：域名解析服务：把域名转化成IP地址

    MQTT协议：消息队列遥测传输协议（物联网协议）

  • 传输层 ：

    TCP协议：传输控制协议（流式套接字）

    UDP协议：用户数据报协议

  • 网络层 ：

    IPv4：IP协议

    IPv6：IP协议

  • 数据链路层 ：

    MAC<------>IP

    ARP协议：地址解析协议

    RARP：逆地址解析协议

  • 物理层：

3.4 IP协议：

IPv4 ：32位

IPv6：128位 （主要解决IPv4地址不够用而产生的）

例如 ：

192.168.1.3 （用户表示形式） 点分十进制

1100 0000 1010 1000 0000 0001 0000 0011 （计算机存储形式） 32bit

IP地址 = 网络位 + 主机位

网络位 ：该IP地址位于哪个网段（局域网）内

主机位：这个网段的位数

tips：linux查看ip地址终端指令： ifconfig

ens33 ：实际进行数据发送的网卡；

lo：本地回环网卡（自己发数据自己收）

当前主机IP地址：inet 192.168.87.128

子网掩码 ：netmask 255.255.255.0

1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000

用来区分IP地址的网络位和主机位，搭配IP地址使用。

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

有的也这样表示：

192.168.0.121/24

24:网络位的位数

这样就不用子网掩码也能区分网络位和主机位。

网段号 ：

IP地址网络位不变，主机位全为0，则为该IP地址的网段号

192.168.1.3

255.255.0.0

192.168.0.0（网段号）

广播号 :

192.168.1.255

IP地址网络位不变，主机位全为1，则为该IP地址的广播号

192.168.1.3

255.255.255.0广播号:

192.168.1.255(向广播号发送信息，所有局域网内IP都能收到此信息)

网关地址：192.168.1.1

3.5 IP地址的划分：

(1)A类地址：

范围:1.0.0.0 - 126.255.255.255

子网掩码:255.0.0.0 126*2^24

用于管理大规模网络

复制代码 
    私有IP地址:10.0.0.0 - 10.255.255.255

    127.0.0.0   回环地址

(2)B类地址：

范围:128.0.0.0 - 191.255.255.255

子网掩码:255.255.0.0 2^16

管理大中规模网络

复制代码 
    私有IP地址:172.16.0.0 - 172.31.255.255

(3)C类地址：

范围:192.0.0.0 - 223.255.255.255

子网掩码:255.255.255.0 2^8

管理中小规模网络

复制代码 
    私有IP地址:192.168.0.0 - 192.168.255.255

(4)D类地址：

224.0.0.0 - 239.255.255.255

组播和广播使用

(5)E类地址：

240.0.0.0 - 255.255.255.254

组播和广播使用

公有IP :电信公司直接分配，并需要付费的IP地址，可以直接访问internet

私有IP:不能直接访问internet的ip地址

四、网络协议栈

IP+PORT：可以找到目标主机上的目标进程

端口号 :16位的数值 0-65535 unsigned short

作用 :唯一的标识一个网络进程

每一个应用进程都有一个端口号;

通讯时用来区分数据包属于哪一个进程。

分类:

  1. 任何TCP/IP实现所提供的服务都用1-1023间的端口号。

    http: 80

    FTP:20/21

    TFPT: 69

    HTTPS: 443

    MQTT：1883

  2. 端口号从1024-49151是被注册的端口号，被IANA指定为特殊服务使用。

  3. 从49152-65535是动态或私有端口号。

五、数据包的封装和解封过程

六、网络配置

桥接模式

  1. 点击右上角虚拟机------>点击设置------>点击网络适配器------>桥接模式------>已连接和启动时连接也勾选上

  2. 编辑------>虚拟网络编辑器------>更改设置------>Vmnet0------>桥接模式------>桥接到windows正在上网的网卡------>应用------>确定

  3. 修改网络配置文件：

    sudo vim /etc/network/interfaces

    dhcp：动态IP分配

  4. 重启网络服务

    sudo /etc/init.d/networking restart

    如果网络重启不行，就重启系统

    sudo reboot

  5. ifconfig

    查看linux系统下的网卡信息

  6. ping www.baidu.con

    检查网络是否为通。

  7. ipconfig

    windows系统下查看IP地址。

七、UDP协议

传输层 ：

UDP协议：User DataGrames Protocol 用户数据报协议

UDP特点 :

  1. 无连接;

  2. 面向数据报;

  3. 尽最大努力交付协议，不安全不可靠(丢包、乱序);

  4. 机制简单，实时性效率高。

使用场景：直播、游戏画面

网络通信模型：

  • B/S：Browser/Server：浏览器/服务器

    1. 通用客户端；
    2. 数据资源基本都保存在服务端；
    3. 只需要开发服务端。

  • C/S：Client/Server：客户端/服务端

    1. 专用客户端；
    2. 客户端和服务端共同保存数据资源；
    3. 客户端和服务端都需要开发。

  • P2P

7.1 UDP通信

客户端：

  1. 创建socket套接字 socket()
  2. 发送UDP报文 sendto()
  3. 接受UDP报文 recvfrom()
  4. 关闭套接字 close()

套接字：应用层网络通信的端口，可以理解为一个文件描述符。

服务端：

  1. 创建socket套接字 socket()
  2. 绑定服务端的IP和端口号 bind()
  3. 接受UDP报文 recvfrom()
  4. 发送UDP报文 sendto()
  5. 关闭套接字 close()

7.2 UDP通信相关函数接口

7.2.1 socket()

  • 函数原型：

    c 复制代码 
    #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

  • 功能： 创建通信的套接字。

  • 参数： domain：使用的协议族；

    1. AF_INET：IPv4；
    2. AF_INET6：IPv6；

    type：传输层的协议类型。

    1. SOCK_STREAM：TCP
    2. SOCK_DGRAM：UDP

    protocol：0默认方式

  • 返回值： 成功：文件描述符（套接字）；

    失败：-1；

7.2.2 sendto()

  • 函数原型：

    c 复制代码 
    #include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

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UDP数据报文。

  • 参数： sockfd：套接字；

    buf：要发送的数据的首地址；

    len：发送的数据的长度；

    flags：0，按默认方式发送；

    dest_addr：服务端的地址信息（IP+PORT）；

    addrlen：结构体的大小（地址的长度）。

    c 复制代码 
    struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};
    c 复制代码 
    /* Internet address. */
struct in_addr {
   uint32_t s_addr;     /* address in network byte order */
};

    网络字节序：大端（高地址存低字节位，低地址存高字节位）；
    主机字节序：小端（高地址存高字节位，低地址存低字节位）。
    s_addr需要的是网络地址，因此需要借助后面的辅助函数转化地址信息形式。

  • 返回值： 成功：ssize_t 类型发送的字节数；

    失败：-1；

7.2.3 bind()

  • 函数原型：

    c 复制代码 
    #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

  • 功能： 绑定当前的套接字和IP地址及端口号。

  • 参数： sockfd：套接字；

    addr：要绑定的地址信息的指针；

    addrlen：地址信息的长度

  • 返回值： 成功：返回0；

    失败：返回-1.

7.2.4 recvfrom()

  • 函数原型：

    c 复制代码 
    #include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

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

  • 功能： 接受UDP数据报文。

  • 参数： sockfd：套接字；

    buf：存放接受数据空间的地址；

    len：期望接受到数据大小；

    flags：0， 默认方式接受；

    src_addr：保存发送方地址信息的空间的指针；

    addrlen：地址信息的长度。

  • 返回值： 成功：返回实际接受到的字节数；

    失败：返回-1；

    特殊情况：当对方发送0字节数据包时，返回0.

7.2.5 辅助函数

inet_addr()：将点分十进制的字符串ip地址转换成32位的二进制IP地址形式;

inet_ntoa()：将结构体的ip地址转换成点分十进制的字符串ip地址；

htons()：2字节数据，主机字节序转网络字节序；

htonl()：4字节数据，主机字节序转网络字节序；

ntohs()：2字节数据，网络字节序转主机字节序；

ntohl()：4字节数据，网络字节序转主机字节序；

host------>net，s------>short，l------>long

7.3 UDP使用示例

客户端 ：

首先调用socket()创建一个 UDP 套接字，填充服务端的struct sockaddr_in地址结构体，指定服务端 IP 地址与端口号；程序进入循环，通过fgets()读取控制台输入的字符串，使用sendto()将读取到的数据以 UDP 报文的形式发送给指定服务端，打印发送返回值，循环持续接收用户输入并发送数据，最后关闭套接字，实现 UDP 下向服务端持续发送数据的功能。

c 复制代码 
int main()
{
    //socket()
    //sendto()
    //recvfrom()
    //close
    
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(-1 == sockfd)
    {
        perror("socket error");
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in seraddr;

    seraddr.sin_family = AF_INET;
    seraddr.sin_port = htons(50000);
    seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.251.215.158");

	char buff[1024] = {0};
	while (1)
	{
		fgets(buff, sizeof(buff), stdin);
		ssize_t size = sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
		if (-1 == size)
		{
			perror("sendto error");
			return -1;
		}
		printf("size = %ld\n", size);
	}

	close(sockfd);

    return 0;
}

服务端 ：

首先调用socket()创建 UDP 套接字，初始化本机地址信息，通过bind()将套接字绑定到指定 IP 和 50000 端口；随后进入循环，每次先清空接收缓冲区，调用recvfrom()阻塞等待接收 UDP 数据包（不保存对端地址信息），接收成功后打印接收字节数和收到的字符串内容，循环持续等待客户端报文，最终关闭套接字，完成 UDP 服务端接收客户端数据的逻辑。

c 复制代码 
int main(void)
{
    //socket()
    //bind()
    //recvfrom()
    //close()
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket error");
        return -1;
    }
    struct sockaddr_in seraddr;
    seraddr.sin_family = AF_INET;
    seraddr.sin_port = htons(50000);
    seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.251.215.158");

    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));
    if (ret < 0)
    {
        perror("bind error");
        return -1;
    }
    char buff[1024] = {0};
    while (1)
    {
        memset(buff, 0, sizeof(buff));
        ssize_t size = recvfrom(sockfd, buff, sizeof(buff), 0, NULL, NULL);
        if (size < 0)
        {
            perror("recvfrom error");
            return -1;
        }
        printf("size = %ld, buff : %s\n", size, buff);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}
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