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Linux 软件编程（九）网络编程：IP、端口与 UDP 套接字

news 2025/8/23 10:53:32

1. 学习目的

实现 不同主机之间的进程间通信。

在 Linux 下，进程间通信（IPC）不仅可以发生在同一台主机上，也可以通过网络实现不同主机之间的通信。要做到这一点，必须同时满足以下两个条件：

物理层面：不同主机之间必须通过物理网络互联互通（如网线、交换机、路由器等）。
软件层面：进程之间必须通过网络协议进行通信。

2. 基础概念

IP 地址
计算机的“软件地址”，用来标识计算机设备
MAC 地址
计算机网卡的“硬件地址”，唯一且固定。
端口号
用来区分同一主机上的不同进程，保证多个网络服务可以同时运行。

3. 网络协议

网络通信需要遵循统一的标准，即 网络协议。

3.1 OSI 七层模型（理论模型）

OSI（Open System Interconnect）是一个通信标准框架，分为 7 层：

应用层：提供应用服务（如文件传输、电子邮件）。
表示层：数据加密/解密，压缩/解压缩。
会话层：建立数据传输通道, ---》会话
传输层：提供端到端的传输服务（传输的方式 UDP TCP 端口号）。
网络层：实现数据路由，路径规划路由器 ip。
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。
物理层：定义物理介质（网线、光纤），传输比特流（0/1）。

3.2 TCP/IP 模型（应用模型）

相比 OSI 七层，TCP/IP 模型更贴近实际应用。

五层模型

应用层：
- HTTP：超文本传输协议
- HTTPS：加密的 HTTP（SSL加密算法）
- FTP：文件传输协议（TCP）
- TFTP：简单文件传输协议（UDP）
- MQTT：物联网协议
- DNS：域名解析服务
传输层：
- TCP（传输控制协议，可靠，面向连接）
- UDP（用户数据报协议，不可靠，面向无连接）
网络层：
- IP 协议（IPv4 / IPv6）
数据链路层：
- ARP（地址解析协议）
物理层

四层模型

应用层
传输层
网络层
网络接口层

4. IP 协议

IPv4：32 位地址
IPv6：128 位地址

4.1 表示方式

点分十进制：192.168.1.140 (用户表示形式) 点分十进制
二进制存储：11000000 10101000 00000000 10001100 (计算机存储形式) 32bits

4.2 IP 地址组成

IP地址 = 网络位 + 主机位

例：192.168.0.121/24

/24：网络位长度 24 位
网络位：表示属于哪个网段
主机位：表示网段中(局域网)的哪一台主机

4.3 子网掩码

例：255.255.255.0

11111111.11111111.11111111.00000000
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

4.4 特殊地址

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
位于
192.168.1.0 网段内(网段内的IP能直接通信)

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)

网段号：主机位全为 0
广播号：主机位全为 1，局域网内所有主机都能收到
网关地址：通常为 xxx.xxx.xxx.1，用于不同网段间通信

4.5 IP 地址分类

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
  
  私有IP地址:10.0.0.0 - 10.255.255.255
  
  127.0.0.0 回环地址
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
  
  私有IP地址:172.16.0.0 - 172.31.255.255
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
  
  私有IP地址:192.168.0.0 - 192.168.255.255
D 类地址
- 224.0.0.0 - 239.255.255.255
  组播和广播使用
E 类地址
- 240.0.0.0 - 255.255.255.254
  用来进行实验

公有IP：由电信公司直接分配，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

节省ip地址

5. 网络端口号

端口号：16 位无符号整数（0 - 65535）
功能：区分同一主机上的不同网络进程

6. Linux 网络配置

常用命令

ping ip/域名
测试与目标主机是否连通
ping www.baidu.com
ifconfig（Linux）
查看当前主机 IP 地址
ipconfig（Windows）
查看 Windows 主机 IP 地址

虚拟机配置

虚拟机 → 设置 → 网络适配器 → 桥接模式
编辑 → 虚拟网络编辑器 → VMnet0 → 桥接至当前 PC 网卡
修改网络配置文件（示例）
sudo vim /etc/network/interfaces
auto lo
iface lo inet loopback
auto ens33
iface ens33 inet dhcp
重启网络服务
sudo /etc/init.d/networking restart
测试
ping www.baidu.com

7. UDP 协议与编程

UDP（User Datagram Protocol）属于传输层协议。
用户数据报协议（User Datagram Protocol）
特点：无连接、不可靠、效率高，适合实时性强的应用（如视频、语音）。

7.1 网络编程模型

B/S 模型（Browser / Server）
- 客户端通用（浏览器）
- 一般只开发服务器端
- 客户端的数据均来自服务器
C/S 模型（Client / Server）
- 专用客户端
- 服务器和客户端都需开发
- 客户端可保存部分资源，本地加载

7.2 UDP 编程流程

基本概念

套接字（socket）：一个文件描述符，应用层与网络通信的接口。

编程步骤

客户端：
1. 创建 socket
2. 填写服务器地址结构
3. 发送数据 sendto
4. 接收数据 recvfrom
5. 关闭 socket
服务器：
1. 创建 socket
2. 绑定端口 bind
3. 循环接收数据 recvfrom
4. 可选择回应客户端 sendto
5. 关闭 socket

#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：网络层使用什么协议族
AF_INET：IPv4
AF_INET6：IPv6
type：规定传输层的协议
SOCK_DGRAM ： UDP协议
SOCK_STREAM：TCP协议
SOCK_RAW ：原始套接字
protocol ：0 按照默认协议方式创建
返回值：
成功：套接字
失败：-1
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：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：实际发送的字节数
失败：-1
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 */
};

网络字节序：大端 network
主机字节序：小端 50000 host
0x1234
小端：0x34
0x12
大端：
0x12
0x34
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); 主机转网络
uint16_t htons(uint16_t hostshort); 主机转网络
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); 网络转主机
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); 网络转主机
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