嵌入式学习 D33：系统编程--网路编程

• 网络编程及相关概念
• UDP网络通信程序
• UDP网络通信操作

一、网络编程及相关概念

1. 网络编程概念：

        指通过计算机网络实现程序间通信的技术，涉及协议、套接字、数据传输等核心概念。常见的应用场景包括客户端-服务器模型、分布式系统、实时通信等。

2.OSI模型概述及结构

        1）概述：OSI（Open Systems Interconnection）模型是一种用于描述网络通信过程的标准化框架，由国际标准化组织（ISO）于1984年提出。它将网络通信划分为7个层次，每一层负责特定的功能，并通过接口与相邻层交互。

        2）OSI模型的七层结构

        物理层（Physical Layer）负责传输原始比特流，定义物理介质（如电缆、光纤）的电气、机械特性。典型协议包括以太网、USB。

        数据链路层（Data Link Layer）将比特流组织为帧（Frame），提供物理地址（MAC地址）和错误检测。交换机在此层操作，协议如PPP、HDLC。

        网络层（Network Layer）负责路由选择和数据包转发，使用逻辑地址（如IP地址）。核心设备是路由器，协议包括IP、ICMP。

        传输层（Transport Layer）确保端到端的可靠传输，提供流量控制和错误恢复。主要协议有TCP（可靠）和UDP（不可靠）。

       会话层（Session Layer）  管理通信会话的建立、维护和终止，例如NetBIOS。

       表示层（Presentation Layer）处理数据格式转换（如加密、压缩），确保应用层可理解数据。例如SSL/TLS加密。

       应用层（Application Layer）直接为用户应用提供服务，协议包括HTTP、FTP、SMTP。

3.TCP/IP模型概述及结构

        1）概述：TCP/IP模型是互联网通信的核心框架，由四层组成：网络接口层、网络层、传输层和应用层。它比OSI七层模型更简洁，实际应用更广泛。

        2）TCP/IP模型的四层结构：

        网络接口层（Link Layer）负责物理传输，包括以太网、Wi-Fi等协议。数据以帧为单位传输，处理MAC地址和硬件交互。

        网络层（Internet Layer） 核心协议为IP（Internet Protocol），负责路由和逻辑寻址。关键协议包括：

• IP：无连接的数据包传输
• ICMP：错误报告和诊断（如ping）
• ARP：IP地址到MAC地址的映射

        传输层（Transport Layer）提供端到端通信，主要协议：TCP（可靠连接，三次握手建立连接）、UDP（无连接，低延迟）。

        应用层（Application Layer）包含高层协议如HTTP、FTP、DNS等。数据单位为消息。

        3）数据封装过程：发送端自上而下封装------接收端自下而上解封装

• 应用数据添加应用层头（如HTTP头）
• 传输层添加TCP/UDP头
• 网络层添加IP头
• 网络接口层添加帧头和尾

4.OSI模型与TCP/IP模型对比

TCP/IP层	OSI层
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

实际应用要点

• IP地址分为IPv4（32位）和IPv6（128位）
• 端口号范围：0-65535（系统端口：0-1023）
• MTU（最大传输单元）影响数据分片
• 路由选择通过路由表实现

该模型的设计强调端到端原则，将复杂性放在网络边缘，核心网络保持简单高效。

5.DNS域名解析原理

        DNS（Domain Name System）将人类可读的域名（如example.com）转换为机器可读的IP地址（如93.184.216.34）。解析过程遵循分层查询机制：

        1）递归查询：用户设备向递归DNS服务器（如ISP提供的服务器）发起请求，由递归服务器完成后续查询并返回最终结果。
        2）迭代查询：递归服务器依次向根域名服务器、顶级域（TLD）服务器和权威域名服务器查询，最终获取目标IP。

6.DHCP概述及工作原理

        1）概述：DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种网络协议，用于自动分配 IP 地址、子网掩码、默认网关和其他网络配置参数给客户端设备。它简化了网络管理，避免了手动配置 IP 地址的繁琐和错误。

        2）DHCP工作原理：DHCP 使用客户端-服务器模型，工作流程分为四个阶段（DHCPDISCOVER、DHCPOFFER、DHCPREQUEST、DHCPACK）：

DHCPDISCOVER：客户端广播请求 IP 地址配置。

DHCPOFFER：服务器响应并提供可用 IP 地址。

DHCPREQUEST：客户端确认选择服务器提供的配置。

DHCPACK：服务器最终确认分配 IP 地址。

7.IPv4地址分类

        IPv4地址通常分为A、B、C、D、E五类，主要依据网络号和主机号的划分方式：

1. A类地址：

• 范围：1.0.0.0 到 126.255.255.255
• 第一字节为网络号，后三个字节为主机号。
• 子网掩码：255.0.0.0
• 适用于大型网络，如国际组织或大型企业。

        2.B类地址：

• 范围：128.0.0.0 到 191.255.255.255
• 前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。
• 子网掩码：255.255.0.0
• 适用于中型网络，如大学或中型企业。

        3.C类地址：

• 范围：192.0.0.0 到 223.255.255.255
• 前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。
• 子网掩码：255.255.255.0
• 适用于小型网络，如家庭或小型办公室。

        4.D类地址：

• 范围：224.0.0.0 到 239.255.255.255（网络号+最大主机号）
• 用于组播（Multicast）通信，不划分网络号和主机号。
• 主要用于视频流、在线会议等一对多的通信场景。

        5.E类地址：

• 范围：240.0.0.0 到 255.255.255.255
• 保留用于实验和研究，不用于常规网络通信。

8.单机上网配置

        1、有网络接口并插入网线。
        2、有ip地址
        3、配置网络设置

ip: ifconfig ethX X.X.X.X/24 up  ifconfig ens33 192.168.0.13/24 up  255.255.255.0
网关： route add default gw x.x.x.x 
DNS：  vi /etc/resolv.conf  ==>nameserver 8.8.8.8
测试：ping www.baidu.com  

netstat  -anp：查看网络连接状态

网络接口：
        1、socket  套接字 ==》BSD socket ==》用于网络通信的一组接口函数。

                socket api  application interface
        2、ip+port 地址+端口===》地址用来识别主机、端口用来识别应用程序。
                  port分为TCP port / UDP port  范围都是： 1-65535，约定1000 以内的端口为系统使用。

网络字节序 ：大端存储

用htons函数 把端号转为大端。

用inet addr 函数把IP地址转为大端。

9.私有IP地址和公有IP地址

        1）私有IP：用于局域网内部通信，不直接暴露在互联网上。

范围包括：
A类：10.0.0.0 到 10.255.255.255
B类：172.16.0.0 到 172.31.255.255
C类：192.168.0.0 到 192.168.255.255
通常通过NAT（网络地址转换）与公网通信。

        2）公有IP：用于互联网通信，全球唯一。

        除私有IP和特殊保留地址外的其他IPv4地址

二、UDP网络通信程序

1.UDP概述

        UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种无连接的传输层协议，提供简单的、不可靠的数据传输服务。与 TCP 不同，UDP 不保证数据包的顺序、可靠性或流量控制，但具有低延迟和高效率的特点。

2.UDP特征

• 无连接：通信前无需建立连接，直接发送数据。
• 不可靠：不保证数据包是否到达目的地，也不保证顺序。
• 高效：头部开销小（仅 8 字节），适合对延迟敏感的应用。
• 支持广播和多播：可以同时向多个目标发送数据。

3.UDP头部结构

         UDP 头部包含 4 个字段，每个字段 2 字节：

        1）源端口（Source Port）：发送方端口号（可选，可设为 0）。

        2）目标端口（Destination Port）：接收方端口号。

        3）长度（Length）：UDP 头部加数据的总长度（最小为 8）。

        4）校验和（Checksum）：用于错误检测（可选，IPv6 必须校验）。

4.UDP适用场景：

1. 实时应用：如视频流、语音通话（VoIP）、在线游戏。
2. DNS 查询：快速响应比可靠性更重要。
3. 广播/多播：如 DHCP、网络发现协议。
4. 简单请求-响应：如 SNMP、TFTP。

5.UDP与TCP对比：

特性	UDP	TCP
连接方式	无连接	面向连接
可靠性	不可靠	可靠（重传、确认机制）
流量控制	无	有（滑动窗口）
顺序保障	不保证	保证
头部大小	8 字节	20 字节
适用场景	实时、低延迟应用	文件传输、网页浏览

UDP 的局限性：

• 无拥塞控制：可能引发网络拥塞。
• 数据包丢失：不适合需要高可靠性的场景。
• 安全性：容易受到 DDOS 攻击（如 UDP 洪水攻击）。

三、UDP网络通信操作

1.socket（）：创建套接字，返回文件描述符。

#include <sys/socket.h>

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

        参数：domain：协议族（如AF_INET IPv4，AF_INET6 IPv6）。

                        参数：PF_INET == AF_INET ==>互联网程序
                                  PF_UNIX == AF_UNIX ==>单机程序

                type：套接字类型（如SOCK_STREAM TCP，SOCK_DGRAM UDP）。
                           SOCK_STREAM  流式套接字 ===》TCP   
                          SOCK_DGRAM   用户数据报套接字===>UDP
                          SOCK_RAW     原始套接字  ===》IP
                protocol 协议 ==》0 表示自动适应应用层协议。通常为0，自动匹配。

2.bind（）：将套接字绑定到特定IP和端口。

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

        参数：

• sockfd：socket()返回的文件描述符。
• addr：指向sockaddr结构的指针（需转换为struct sockaddr_in或sockaddr_in6）。

struct sockaddr      通用地址结构
  {
  u_short sa_family;  地址族
  char sa_data[14];   地址信息
  };

转换成网络地址结构如下：
  struct _sockaddr_in    ///网络地址结构
  {
  u_short    sin_family; 地址族
  u_short    sin_port;   ///地址端口
  struct in_addr  sin_addr;   ///地址IP
  char    sin_zero[8]; 占位
  };

• addrlen：地址结构长度。

        注意：如果是客户端，则该函数省略，由默认接口发送数据。

3.recvfrom（）：用于从套接字接收数据的系统调用，常用于无连接协议（如UDP）。与recv不同，recvfrom可以获取发送端的地址信息。

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

        参数：

• sockfd: 套接字描述符
• buf: 接收数据的缓冲区指针
• len: 缓冲区长度
• flags: 控制标志（常用值如MSG_WAITALL、MSG_DONTWAIT）
• src_addr: 发送方地址结构体指针（可为NULL）
• addrlen: 地址结构体长度指针（输入输出参数）

        返回值：

• 成功时返回接收的字节数
• 失败返回-1并设置errno
• 连接关闭时返回0

4.sendto（）：用于发送数据的系统调用，用于无连接协议（UDP）或需要指定目标地址的场景。它允许直接向特定目标发送数据而不需要预先建立连接。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

        参数：

• sockfd: 已创建的套接字文件描述符
• buf: 指向包含待发送数据的缓冲区
• len: 要发送的数据长度（字节数）
• flags: 控制发送行为的标志位（通常为0）
• dest_addr: 指向目标地址结构体的指针
• addrlen: 目标地址结构体的长度

        返回值：成功时返回发送的字节数，失败返回-1并设置errno。

示例：用UDP完成现在实时聊天

服务器端：

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <time.h>
#include <unistd.h>
typedef struct sockaddr *(SA);
int main(int argc, char *argv[]) {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd) {perror("socket");return 1;}struct sockaddr_in ser, cli; // client  man 7 ipbzero(&ser, sizeof(ser));bzero(&cli, sizeof(cli));ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(50000);             // host to net shortser.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 小端转大端  本地回环  127int ret = bind(sockfd, (SA)&ser, sizeof(ser));if (-1 == ret) {perror("bind");return 1;}socklen_t len = sizeof(cli);char buf[256] = {0};recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (SA)&cli, &len);pid_t pid = fork();if (pid > 0) {while (1) {char buf[256] = {0};recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (SA)&cli, &len);if (0 == strcmp(buf, "#quit\n")) {kill(pid, 9);exit(0);}printf("cli:%s", buf);fflush(stdout);}} else if (0 == pid) {while (1) {char buf[256] = {0};printf("to cli:");fgets(buf, sizeof(buf), stdin);sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&cli, sizeof(cli));if (0 == strcmp(buf, "#quit\n")) {kill(getppid(), 9);exit(0);}}} else {perror("fork");return 1;}return 0;
}

客户端：

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <time.h>
#include <unistd.h>
typedef struct sockaddr *(SA);
int main(int argc, char *argv[]) {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd) {perror("socket");return 1;}struct sockaddr_in ser, cli; // client  man 7 ipbzero(&ser, sizeof(ser));bzero(&cli, sizeof(cli));ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(50000);                      // host to net shortser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.165"); // 小端转大端socklen_t len = sizeof(cli);char buf[256] = {0};strcpy(buf, "start");sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&ser, sizeof(ser));pid_t pid = fork();if (pid > 0) {while (1) {char buf[256] = {0};recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);if (0 == strcmp(buf, "#quit\n")) {kill(pid, 9);exit(0);}printf("ser:%s", buf);fflush(stdout);}} else if (0 == pid) {while (1) {char buf[256] = {0};printf("to ser:");fgets(buf, sizeof(buf), stdin);sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&ser, sizeof(ser));if (0 == strcmp(buf, "#quit\n")) {kill(getppid(), 9);exit(0);}}} else {perror("fork");return 1;}close(sockfd);return 0;
}