Linux学习笔记：网络通信

学到Linux网络通信这部分，整理一下笔记，从基础概念到UDP编程都过一遍。

一、网络协议基础

网络通信说白了就是不同主机上的进程之间通信。

OSI七层模型

这是个理论模型，1977年国际标准化组织搞的，目的是让不同体系结构的计算机能互联成网。从上到下七层：

应用层：要传输的数据信息，比如文件传输、电子邮件
表示层：数据加密解密、压缩解压
会话层：建立数据传输通道
传输层：传输方式（UDP/TCP）、端口号
网络层：数据路由、路径规划，对应路由器和IP
数据链路层：封装成帧、点对点通信、差错检测，对应交换机和ARP
物理层：定义物理设备标准，传输比特流（0和1）

TCP/IP模型

实际生产用的是这个。四层模型把应用层、表示层、会话层合并为应用层，数据链路层和物理层合并为网络接口层。也有五层的分法，各层常见协议：

应用层：HTTP（超文本传输）、HTTPS（SSL加密）、FTP（文件传输，TCP）、TFTP（简单文件传输，UDP）、DNS（域名解析）、MQTT（物联网消息队列遥测传输）
传输层：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）
网络层：IPv4、IPv6
数据链路层：MAC与IP转换，ARP（地址解析）、RARP（逆地址解析）
物理层

二、IP协议

IPv4是32位，IPv6是128位。我们平时看到的192.168.1.3这种叫点分十进制，计算机里存的是32位二进制。

IP地址 = 网络位 + 主机位。比如192.168.0.121/24，这个24就是网络位的位数。

子网掩码用来区分网络位和主机位，比如255.255.255.0，是1的部分对应网络位，是0的部分对应主机位。

几个相关概念：

网段号：网络位不变，主机位全为0。比如192.168.1.3配255.255.0.0，网段号就是192.168.0.0
广播号：网络位不变，主机位全为1。向广播号发信息，局域网内所有IP都能收到
网关地址：比如192.168.1.1

IP地址分五类：

A类：1.0.0.0 - 126.255.255.255，子网掩码255.0.0.0，管理大规模网络。私有地址10.0.0.0-10.255.255.255。127.0.0.0是回环地址
B类：128.0.0.0 - 191.255.255.255，子网掩码255.255.0.0，管理大中规模网络。私有地址172.16.0.0-172.31.255.255
C类：192.0.0.0 - 223.255.255.255，子网掩码255.255.255.0，管理中小规模网络。私有地址192.168.0.0-192.168.255.255
D类：224.0.0.0 - 239.255.255.255，组播和广播用
E类：240.0.0.0 - 255.255.255.254，实验用

公有IP由电信公司分配、需要付费，可以直接访问互联网。私有IP不能直接访问互联网，主要是为了节省IP地址。

三、端口号

IP+PORT才能找到目标主机上的目标进程。端口号是16位的数值，范围0-65535，作用是唯一标识一个网络进程，通讯时用来区分数据包属于哪个进程。

分三类：

1-1023：知名端口，http是80，FTP是20/21，TFTP是69，HTTPS是443，MQTT是1883
1024-49151：被IANA注册的端口，指定给特殊服务
49152-65535：动态或私有端口

四、网络配置

虚拟机用桥接模式联网的步骤：

虚拟机设置 → 网络适配器 → 桥接模式 → 确定
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
修改配置文件：sudo vim /etc/network/interfaces

配置内容大概这样：

plaintext

auto lo

iface lo inet loopback

auto ens33

iface ens33 inet dhcp

重启网络服务：sudo /etc/init.d/networking restart，不行就sudo reboot
ifconfig查看Linux网卡信息，Windows下是ipconfig
ping www.baidu.com检查网络通不通

五、UDP协议

UDP是用户数据报协议（User Datagram Protocol），在传输层。

网络通信模型

两种：

B/S（Browser/Server）：浏览器/服务器。通用客户端，数据资源基本存在服务端，只需要开发服务端
C/S（Client/Server）：客户端/服务端。专用客户端，两端都可以存资源，两端都需要开发

UDP编程相关函数

socket

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

创建通信的套接字。参数：

domain：协议族，AF_INET是IPv4，AF_INET6是IPv6
type：传输层协议类型，SOCK_STREAM是TCP，SOCK_DGRAM是UDP
protocol：0默认方式

返回值：成功返回文件描述符（套接字），失败返回-1。套接字就是应用层网络通信的端口，本质是个文件描述符。

sendto

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,

const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

发送UDP数据报文。参数：

sockfd：套接字
buf：要发送的数据首地址
len：发送的数据字节数
flags：0默认方式
dest_addr：服务端地址信息（IP+PORT）
addrlen：地址信息长度

返回值：成功返回发送的字节数，失败返回-1。

地址结构体

struct sockaddr_in {

sa_family_t sin_family; /* AF_INET */

in_port_t sin_port; /* 网络字节序的端口 */

struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */

};

struct in_addr {

uint32_t s_addr; /* 网络字节序的地址 */

};

字节序

网络字节序是大端（高地址存低字节位，低地址存高字节位），主机字节序一般是小端。转换函数：

htons：2字节，主机转网络
htonl：4字节，主机转网络
ntohs：2字节，网络转主机
ntohl：4字节，网络转主机

h是host，n是network，s是short（2字节），l是long（4字节）。

inet_addr

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

把点分十进制的字符串IP转换成32位二进制IP地址形式。参数是字符串IP，返回整型IP地址。

bind

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

绑定套接字和IP地址及端口号。成功返回0，失败返回-1。

recvfrom

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,

struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

接收UDP数据报文。参数：

sockfd：套接字
buf：存储接收到的数据
len：期望接收的字节数
flags：0默认方式
src_addr：保存发送方地址信息的指针
addrlen：地址长度的指针

返回值：成功返回实际接收的字节数，失败返回-1，返回0表示对方发了0字节数据包。

inet_ntoa

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

把结构体类型的IP地址转换成字符串形式的IP地址。

UDP客户端示例

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <netinet/in.h>

#include <unistd.h>

#include <string.h>

int main(void)

{

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("192.168.0.119");

char buff $128$ = {0};

fgets(buff, sizeof(buff), stdin);

buff $strcspn(buff, "\\n")$ = '\0';

ssize_t size = sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0,

(struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));

if (-1 == size) {

perror("sendto error");

close(sockfd);

return -1;

}

close(sockfd);

return 0;

}

UDP服务端示例

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <netinet/in.h>

#include <unistd.h>

#include <string.h>

int main(void)

{

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("192.168.0.119");

if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr)) == -1) {

perror("bind error");

close(sockfd);

return -1;

}

char buff $128$ = {0};

struct sockaddr_in cliaddr;

socklen_t addrlen = sizeof(cliaddr);

ssize_t size = recvfrom(sockfd, buff, sizeof(buff), 0,

(struct sockaddr *)&cliaddr, &addrlen);

if (-1 == size) {

perror("recvfrom error");

close(sockfd);

return -1;

}

printf("收到来自 %s 的数据: %s\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), buff);

close(sockfd);

return 0;

}

UDP不需要建立连接，客户端直接sendto，服务端bind后recvfrom等着收就行，这也是它和TCP最大的区别。