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Day33 网络编程：OSI/TCP/IP模型、协议族与UDP编程

ai 2025/9/3 9:01:06

day33 网络编程：OSI/TCP/IP模型、协议族与UDP编程

OSI 模型

开放系统互联模型（Open System Interconnect）分为7层，作为理想模型尚未完全实现。各层功能及示例如下：

  • 应用层
    为网络用户提供各种服务（如电子邮件、文件传输）。
    示例：TFTP（简单文件传输协议）用于基础文件操作：
    tftp server get /etc/passwd（二进制模式传输文件）
    tftp server get /etc/123（ASCII模式传输文件）

  • 表示层
    提供统一的数据表示形式，处理加密解密、gzip压缩等数据格式转换。

  • 会话层
    管理进程会话过程（如网络断开时的连接状态维护），通过keep-close/keep-alive机制协调信息传输。

  • 传输层
    管理网络通信两端的数据传输，提供可靠（TCP）或不可靠（UDP）传输服务，适用于文件、视频、音频等数据传输。

  • 网络层
    负责数据传输的路由选择和网际互连，核心协议为IP，支持NAT（网络地址转换）。

  • 数据链路层
    负责物理相邻主机间的数据传输，实现物理地址寻址、数据帧封装和差错控制。该层分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。交换机在此层工作，数据以帧格式传输并校验。

  • 物理层
    将主机数据转换成电信号通过网络介质传输，描述通信设备的机械、电气特性。
    示例参数：传输速率（100 Mb/s, 1 Gb/s）、介质类型（双绞线、光纤）、无线频段（2.4 GHz, 5 GHz）。

TCP/IP 模型

网际互联模型分为4层，作为工业标准的实用模型（TCP/IP协议栈）：

  • 应用层
    对应应用程序，提供HTTP、FTP等高层服务。
  • 传输层
    涉及端口号，核心协议为TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据包）。
  • 网络层
    处理IP地址，核心协议为IP。
  • 接口层
    涉及网卡、驱动，传输速率如1 GB/s；支持pcap（packet capture）技术用于网络数据包捕获分析。

TCP/IP 协议族

包含覆盖网络通信各层的多种协议：

  • 应用层协议
    HTTP、TFTP、FTP、SNMP、DNS等。
    示例：DNS域名解析（www.taobao.com → 192.168.0.19）。
  • 传输层协议
    TCP、UDP；历史设备示例：56k猫（调制解调器）。
  • 网络层协议
    IP、ICMP（用于ping命令）、RIP、OSPF、IGMP等。
  • 接口层协议
    ARP、RARP等，实现IP地址到MAC地址的映射（ip--->mac）。
ARP 命令示例
arp -a
  • 注释：显示本地ARP缓存表，列出所有IP地址与MAC地址的映射关系。
  • 理想运行结果：
    Interface: 192.168.0.100 --- 0x2Internet Address      Physical Address      Type192.168.0.1           00-11-22-33-44-55     dynamic192.160.0.112         aa-bb-cc-dd-ee-ff     dynamic
    （注：结果中 192.160.0.112 为示例IP地址，MAC地址为模拟值；实际输出因网络环境而异。）

TCP 编程基础知识

IP 地址分类

IP地址由网络位 + 主机位组成（IPv4点分十进制表示），根据规模分为五类：

类别IP地址范围默认子网掩码私有地址范围主机数量典型用途
A类1.0.0.0 - 126.255.255.255255.0.0.010.0.0.0 - 10.255.255.25516,777,214超大规模网络
B类128.0.0.0 - 191.255.255.255255.255.0.0172.16.0.0 - 172.31.255.25565,534大中规模网络
C类192.0.0.0 - 223.255.255.255255.255.255.0192.168.0.0 - 192.168.255.255254中小规模网络
D类224.0.0.0 - 239.255.255.255无无N/A组播/广播
E类240.0.0.0 - 255.255.255.255无无N/A实验用途

关键细节：

  • C类网络特性：
    • 二进制最高位 110xxxxx
    • 前三组网络地址，第四组主机地址
    • 主机数量 = 254（2^8 - 2，扣除网关和广播地址）
    • 局域网常用私有地址：192.168.x.x
  • 特殊地址：
    • 127.0.0.1：本地环回地址（A类保留）
    • 192.168.0.0：网络标识
    • 192.168.0.1：典型网关地址
    • 192.168.0.255：广播地址
  • 单机上网配置流程：
    ifconfig ens33 192.168.0.13/24 up  # 设置IP和子网掩码（255.255.255.0）
route add default gw 192.168.0.1    # 配置默认网关
echo "nameserver 8.8.8.8" > /etc/resolv.conf  # 设置DNS
ping www.baidu.com                  # 验证连通性（理想结果：收到ICMP响应）
netstat -anp                        # 查看网络状态（显示活动连接和端口）

网络接口

  • Socket（套接字）：
    BSD Socket是网络通信的API接口，本质是应用程序与网络协议栈的桥梁（文件描述符）。
  • IP + Port 机制：
    • IP地址：标识主机在网络中的位置
    • 端口号：标识主机上的具体应用程序（范围1-65535）
    • 约定：端口号 < 1000 为系统保留端口
      HTTP: 80      | MySQL: 3306
FTP: 21       | SSH: 22

网络字节序

网络传输采用大端存储（Big-Endian） 格式（高位字节在前），需通过转换函数确保数据一致性：

数字转换函数（#include <arpa/inet.h>）
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);  // 主机字节序 → 网络字节序（32位）
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 主机字节序 → 网络字节序（16位）
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   // 网络字节序 → 主机字节序（32位）
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 网络字节序 → 主机字节序（16位）
  • 理想运行结果：
    htonl(0x12345678) 返回 0x78563412（大端格式）

UDP 编程

UDP 特性

  • 无连接
  • 不可靠（可能丢包）
  • 低延迟
  • 网络开销小
  • 适用于实时性要求高的场景（如视频直播、在线游戏）

UDP 通信框架

C/S模式通信流程：

在这里插入图片描述

客户端流程：

  1. 创建套接字：fd = socket()
  2. 发送/接收数据（循环）：
    • sendto(fd, buf, size, addr) 发送数据
    • recvfrom(fd, buf, size, addr) 接收应答
  3. 关闭套接字：close(fd)

服务器流程：

  1. 创建套接字：fd = socket()
  2. 绑定地址：bind(fd, 服务器地址端口)
  3. 接收/发送数据（循环）：
    • recvfrom(fd, buf, size, addr) 接收请求
    • sendto(connfd, buf, size, addr) 发送应答

关键函数说明

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  • 功能：UDP协议中向对方发送数据
  • 参数：
    • sockfd：本地套接字ID
    • buf：发送数据缓冲区
    • len：数据长度
    • flags：发送方式（0=阻塞）
    • dest_addr：目标主机地址结构体（必选）
    • addrlen：目标地址长度
  • 返回值：成功返回发送字节数，失败返回-1
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  • 功能：UDP协议中接收对方数据
  • 参数：
    • sockfd：本地套接字ID
    • buf：接收数据缓冲区
    • len：缓冲区大小
    • flags：接收方式（0=阻塞）
    • src_addr：对方地址结构体（可选，NULL表示不关心）
    • addrlen：对方地址长度指针
  • 返回值：成功返回接收字节数，失败返回-1

注意：

  • socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0) 创建UDP套接字
  • bind() 服务器端必须调用，客户端可选

UDP 服务器代码示例

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>typedef struct sockaddr * (SA);  // 定义sockaddr指针别名
int main(int argc, char **argv)
{// 创建UDP套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd){perror("socket");  // 打印错误信息return 1;}// 配置服务器地址结构struct sockaddr_in ser, cli;ser.sin_family = AF_INET;       // IPv4协议族ser.sin_port = htons(50000);    // 主机转网络字节序端口ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.14.128");  // 设置IP地址// 绑定套接字到指定地址int ret = bind(sockfd, (SA) &ser, sizeof(ser));if (-1 == ret){perror("bind");  // 绑定失败处理return 1;}time_t tm;socklen_t len = sizeof(cli);while (1)  // 持续服务循环{char buf[512] = {0};  // 接收缓冲区time(&tm);  // 获取当前时间// 接收客户端数据（阻塞等待）recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (SA)&cli, &len);// 附加时间戳到消息sprintf(buf, "%s %s", buf, ctime(&tm));// 将处理后的消息回传客户端sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&cli, len);}return 0;  // 理想结果：持续运行并处理客户端请求
}

UDP 客户端代码示例

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>typedef struct sockaddr * (SA);  // 定义sockaddr指针别名
int main(int argc, char **argv)
{// 创建UDP套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd){perror("socket");  // 错误处理return 1;}// 配置服务器地址结构struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;       // IPv4协议族ser.sin_port = htons(50000);    // 主机转网络字节序端口ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.14.128");  // 服务器IPint i = 10;while (i--)  // 发送10次请求{char buf[512] = "hello,this udp test";  // 初始化消息// 发送数据到服务器sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&ser, sizeof(ser));bzero(buf, sizeof(buf));  // 清空缓冲区// 接收服务器响应（阻塞等待）recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);printf("from ser:%s\n", buf);  // 打印服务器响应sleep(1);  // 间隔1秒}close(sockfd);  // 关闭套接字return 0;  // 理想结果：输出10次类似 "from ser:hello,this udp test Wed Jun 12 10:30:45 2024"
}

核心知识点整合

网络模型对比

OSI模型TCP/IP模型核心功能
应用层应用层提供用户服务（HTTP/FTP/DNS等）
表示层数据格式转换（加密/压缩）
会话层管理会话状态（keep-alive）
传输层传输层端到端通信（TCP/UDP）
网络层网络层路由选择（IP协议）
数据链路层接口层帧传输/错误控制（ARP/交换机）
物理层电信号传输

网络诊断命令

命令功能典型输出
arp -a显示ARP缓存表IP-MAC映射列表
ifconfig查看网卡配置IP地址、子网掩码、MAC地址等
ping测试网络连通性“64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=56”
netstat -anp查看活动网络连接TCP 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* LISTEN sshd

传输层协议对比

特性TCPUDP
连接方式面向连接（三次握手）无连接
可靠性可靠传输（确认重传机制）不可靠（可能丢包）
传输速度较慢快
适用场景文件传输、网页浏览视频直播、在线游戏
典型端口HTTP(80)、SSH(22)DNS(53)、DHCP(67)
http://www.xdnf.cn/news/19613.html

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