Linux 下的网络编程

1、目的

实现不同主机上进程间的通信。

2、问题

1. 主机与主机之间在物理层面必须互联互通。
2. 进程与进程在软件层面必须互联互通。

• IP地址：计算机的软件地址，用来标识计算机设备。
• MAC地址：计算机的硬件地址（固定）。
• 网络的端口号：标记同一主机上的不同网络进程。

3、网络协议

网络通信标准

OSI七层模型

开放系统互联模型，是不同设备间网络通信的通信标准，可概括为“物数网传会表应”。

• 应用层：要传输的数据信息，如文件传输、电子邮件等。
• 表示层：进行数据加密、解密操作，压缩、解压缩。
• 会话层：建立数据传输通道（会话）。
• 传输层：确定传输方式（UDP、TCP），涉及端口号。
• 网络层：实现数据路由、路径规划（路由器、IP），涉及传输方式（UDP、TCP）和端口号。
• 数据链路层：将各层数据封装成帧，实现点对点通信（局域网内通信），进行差错检测（交换机、ARP）。
• 物理层：定义物理设备标准、电器特性，涉及网线、光纤等传输介质。

TCP/IP模型

应用模型，有五层和四层两种划分方式。

五层划分

• 应用层：
  • HTTP：超文本传输协议。
  • HTTPS：超文本传输协议（SSL加密算法）。
  • FTP：文件传输协议（TCP）。
  • TFTP：简单文本传输协议（UDP）。
  • MQTT：消息队列遥测传输（物联网协议）。
  • DNS：域名解析服务（将域名转换为IP地址）。
• 传输层：
  • TCP：传输控制协议。
  • UDP：用户数据报协议。
• 网络层：
  • IP协议：包括IPv4和IPv6。
• 数据链路层：
  • ARP协议：地址解析协议。
• 物理层

四层划分

• 应用层
• 传输层
• 网络层
• 网络接口层

4、IP协议

基本概念

IP协议位于网络层。

• IPv4为32位，如192.168.1.128。
• IPv6为128位。

IP地址的用户表示形式为点分十进制，如192.168.1.140；

计算机存储形式为32位二进制，如11000000 10101000 00000000 01000011。

组成与相关概念

• IP地址组成：IP地址 = 网络位 + 主机位。
  • 例如192.168.0.121/24，其中24表示网络位的位数。
    • 网络位：标识该IP地址位于哪个网段（局域网）内。
    • 主机位：标识在这个网段（局域网）内的第几台主机。
• 子网掩码：用于区分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，是0的部分对应IP地址的主机位。
  • 如255.255.255.0，其二进制形式为11111111.11111111.11111111.00000000。
• 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。
  • 例如，IP地址192.168.1.3，子网掩码255.255.0.0，其网段号为192.168.0.0，位于192.168.1.0网段内（网段内的IP能直接通信）。
• 广播号：IP地址网络位不变，主机位全为1，则为该IP地址的广播号。
  • 向广播号发送信息，所有局域网内IP都能收到此信息。例如，IP地址192.168.1.3，子网掩码255.255.255.0，其广播号为192.168.1.255（如feiQ、VNC使用）。
• 网关地址：如192.168.1.1。

IP地址划分

• 公有IP：由电信公司直接分配，需要付费，可以直接访问internet。
• 私有IP：不能直接访问internet的IP地址，目的是节省IP地址。

5、网络端口号

基本信息

        端口号是16位的整形数据（unsigned short），范围为0~65535，功能是标记同一主机的不同网络进程。

分类

1. 1-1023之间的端口号：任何TCP/IP实现所提供的服务使用。如http：80，FTP：20/21，TFPT：69，HTTPS：443。
2. 1024-49151：被注册的端口号，被IANA指定为特殊服务使用。如MQTT：1883/8883。
3. 49152-65535：动态或私有端口号。

6、网络配置

1. ping命令：ping ip地址/域名，用于查看当前主机和IP/域名所对应的主机网络是否联通。如ping www.baidu.com。
2. 查看IP地址：
   • 在Linux中使用        ifconfig。
   • 在Windows上使用      ipconfig。
3. 网络配置步骤：
   1. 虚拟机--》设置--》网络适配器---》桥接模式。
   2. 编辑--》虚拟网络编辑器--》更改设置--》VMnet0---》桥接至--》当前PC正在上网的网卡上--》应用--》确定。
   3. 修改网络配置文件：sudo vim /etc/network/interfaces，文件内容如下：

   auto lo  
   iface lo inet loopback  
   auto ens33   
   iface ens33 inet dhcp  
   

4. 重启网络服务：sudo /etc/init.d/networking restart
5. 测试：ping www.baidu.com

7、网络协议--UDP

基本概念

UDP（User Datagram Protocol）即传输层用户数据报协议。

网络编程模型

• B/S模型（browser/server，浏览器/服务器）：
  1. 客户端是通用的客户端（浏览器）。
  2. 一般只做服务器开发。
  3. 客户端要加载的数据均来自服务器。
• C/S模型（client/server，客户端/服务端）：
  1. 客户端是一个专用的客户端。
  2. 服务器和客户端都需开发。
  3. 客户端可以保存资源，本地加载，无需所有数据都请求服务器。

UDP编程

套接字

套接字是文件描述符，是网络通信时应用层可操作的端口。

相关函数

1. socket函数

   #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：网络层使用的协议族，AF_INET表示IPv4，AF_INET6表示IPv6。
     • type：规定传输层的协议，SOCK_DGRAM表示UDP协议，SOCK_STREAM表示TCP协议，SOCK_RAW表示原始套接字。
     • protocol：0按照默认协议方式创建。
   • 返回值：成功返回套接字，失败返回-1。

2. sendto函数

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

   • 功能：向网络套接字发送数据。
   • 参数：
     • sockfd：套接字。
     • buf：要发送的数据的首地址。
     • len：要发送的字节数。
     • flags：0表示按照默认方式发送。
     • dest_addr：接收方的地址信息（IP+端口号）。
     • addrlen：接收方地址的大小。
   • 返回值：成功返回实际发送的字节数，失败返回-1。

3. sockaddr_in结构体（man 7 ip）

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

4. 字节序转换函数    

字节序转换

网络字节序（大端顺序）和主机字节序（小端顺序）在数据存储方式上存在差异。

网络字节序中，高位字节存储在低地址；主机字节序中，低位字节存储在低地址。

例如，数值$0x1234$：

• 小端存储：低地址为$0x34$，高地址为$0x12$
• 大端存储：低地址为$0x12$，高地址为$0x34$

标准库函数提供了字节序转换功能，具体声明如下：

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);          // 主机转网络（32位）
uint16_t htons(uint16_t hostshort);         // 主机转网络（16位）
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);           // 网络转主机（32位）
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);          // 网络转主机（16位）

in_addr_t inet_addr(const char *cp);
功能:将字符串IP地址转换成二进制IP地址形式char *inet_ntoa(struct in_addr in);
功能：将二进制ip转换成字符串

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
功能：绑定自己的IP地址和端口号
参数：sockfd：套接字addr：需要绑定的地址addrlen：地址大小
返回值：成功：0失败：-1

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
功能：从套接字上接收数据
参数：sockfd：套接字buf：存放接收数据的内存首地址len：希望接收的字节数flags：0 ：按照默认方式接收（阻塞）src_addr：发送方的地址信息addrlen：发送发地址的指针
功能：成功：实际接收到的字节数失败：-1

8、代码训练

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> 
#include <arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char const *argv[])
{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("192.168.0.179");// 创建子进程char buff[1024] = {0};while(1){fgets(buff, sizeof(buff), stdin);ssize_t cnt = sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(cnt < 0){perror("sendto error");return -1;}printf("cnt = %ld\n", cnt);memset(buff, 0, sizeof(buff));}close(sockfd);return 0;
}

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sockfd < 0){perror("socket error");return -1;}// 服务端自己的地址信息变量struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(50000);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.177");int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");ret -1;}char buff[1024] = {0};while(1){ssize_t cnt = recvfrom(sockfd, buff, sizeof(buff), 0, NULL, NULL);if(cnt < 0){perror("recvfrom error");return -1;}printf("cnt = %ld, buff = %s\n", cnt, buff);memset(buff, 0, sizeof(buff));}close(sockfd);return 0;
}