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嵌入式解谜日志-网络编程

web 2025/9/3 15:01:37

一、OSI 模型的核心思想

分层解耦：将网络通信拆解为 7 个独立层，每层仅关注自身功能（如数据封装、路由选择、流量控制），降低复杂度。
标准化接口：每层通过 “服务访问点（SAP）” 为上层提供服务，同时通过 “协议” 与对等层（另一台设备的同一层）通信，屏蔽底层实现细节。
数据封装与解封装：发送端从应用层到物理层，每层为数据添加 “首部（Header）” 或 “尾部（Trailer）”；接收端从物理层到应用层，逐层剥离首部，最终获取原始数据。

二、OSI 7 层模型详解（从顶层到底层）

应用层：为网络用户提供各种服务，例如电子邮件、文件传输等。

提供服务

1. 应用层（Application Layer，第 7 层）

核心功能：为应用程序提供网络服务接口，是用户与网络的直接交互层。
典型协议：HTTP（网页访问）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件发送）、DNS（域名解析）、Telnet（远程登录）。
数据单位：用户数据（如网页内容、文件数据）。
示例：浏览器通过 HTTP 协议向服务器请求网页，邮件客户端通过 SMTP 发送邮件。

表示层：为不同主机间的通信提供统一的数据表示形式

（压缩，加密）

2. 表示层（Presentation Layer，第 6 层）

核心功能：处理数据的 “格式转换与加密”，确保发送端与接收端能理解数据格式。
主要任务：
- 数据编码 / 解码（如 ASCII、UTF-8）；
- 数据压缩 / 解压缩（如 ZIP、GZIP）；
- 数据加密 / 解密（如 SSL/TLS 中的加密处理）。
数据单位：PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元，此处为 “表示层 PDU”）。
示例：发送端将文本数据从 UTF-8 转换为网络通用格式，接收端再转换回本地格式；网银登录时对密码进行加密传输。

会话层：负责信息传输的组织和协调，管理进程会话过程。

网络链接的状态信息

3. 会话层（Session Layer，第 5 层）

核心功能：建立、管理和终止 “会话连接”（应用程序之间的通信会话），确保通信双方的会话同步。
主要任务：
- 会话建立（如三次握手类似的会话初始化）；
- 会话维护（如心跳检测、会话恢复）；
- 会话终止（释放会话资源）。
数据单位：会话层 PDU。
示例：视频会议中建立双方的实时会话，若网络中断，尝试恢复会话而非重新建立；数据库连接中的会话管理（如 MySQL 的连接会话）。

传输层：管理网络通信两端的数据传输，提供可靠或不可靠的传输服务

udp（用户数据包），tcp（传输控制协议）。数据以什么方式传输（可靠与否）

4. 传输层（Transport Layer，第 4 层）

核心功能：提供 “端到端的可靠数据传输”，负责流量控制、差错控制和端口寻址（标识主机中的进程）。
典型协议：
- TCP（Transmission Control Protocol）：面向连接、可靠的字节流传输（重传丢失数据、按序交付）；（文件传输）
- UDP（User Datagram Protocol）：无连接、不可靠的数据报传输（速度快，适合实时场景）。（视频和音频），网络开销小
数据单位：TCP 段（Segment）、UDP 数据报（Datagram）。
关键机制：
- 端口号（0-65535，如 80 端口对应 HTTP）；
- TCP 的流量控制（滑动窗口）、差错控制（ACK 确认、重传）。
示例：浏览器（客户端进程，随机端口）通过 TCP 连接服务器的 80 端口，确保网页数据不丢失；视频通话通过 UDP 传输实时数据，容忍少量丢包。

网络层：负责数据传输的路由选择和网际互连。

IP地址（广域网）

5. 网络层（Network Layer，第 3 层）

核心功能：实现 “跨网络的路由选择”，将数据从源主机发送到目标主机（可能经过多个路由器）。
典型协议：IP（Internet Protocol，IPv4/IPv6）、ICMP（网络控制消息，如 ping 命令）、OSPF（路由协议）、ARP（地址解析，IP→MAC）。
数据单位：数据包（Packet）。
关键机制：
- IP 地址（标识网络中的主机，如 192.168.1.1）；
- 路由选择（路由器通过路由表决定数据包的下一跳）；
- 拥塞控制（避免网络过载）。
示例：发送端通过 IP 协议为数据添加目标 IP 地址，路由器根据 IP 地址和路由表将数据包转发到目标网络；ping 命令通过 ICMP 协议检测主机可达性。

数据链路层，负责物理相邻(通过网络介质相连)的主机间的数据传输，主要作用包括物理地址寻址、数据帧封装、差错控制等。该层可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)

租建链路（局域网），组织01数据成位帧（一包），校验

6. 数据链路层（Data Link Layer，第 2 层）

核心功能：处理 “物理层的原始数据帧”，实现同一局域网内的可靠传输，负责 MAC 地址寻址、帧同步和差错检测。
典型协议：Ethernet（以太网）、PPP（点对点协议，如拨号上网）、ARP（底层地址解析）。
数据单位：帧（Frame）。
关键机制：
- MAC 地址（硬件地址，如 00:1A:2B:3C:4D:5E，标识网卡）；
- 差错检测（如 CRC 校验，检测帧在传输中是否损坏）；
- 冲突避免（以太网的 CSMA/CD 机制，避免同一局域网内数据冲突）。
示例：局域网内的主机通过 MAC 地址通信，路由器将 IP 数据包封装为以太网帧，通过 MAC 地址发送到下一跳设备；接收端通过 CRC 校验判断帧是否损坏，损坏则丢弃。

物理层，负责把主机中的数据转换成电信号，再通过网络介质(双绞线、光纤、无线信道等)来传输。该层描述了通信设备的机械、电气、功能等特性。

7. 物理层（Physical Layer，第 1 层）

核心功能：定义 “物理介质的电气特性和信号传输规则”，将数据链路层的帧转换为物理信号（如电信号、光信号）在物理介质上传输。
主要任务：
- 物理介质（如双绞线（短距离）、光纤（长距离）、无线电波（（WiFi 2.4G和5G频段），无线局域网和无线广域网））；
- 信号类型（如数字信号、模拟信号）；
- 引脚定义（如网线的 T568A/B 线序）、传输速率（如 100Mbps（双绞线）、10Gbps（光纤））。
数据单位：比特（Bit，0 或 1）。
示例：网线传输电信号，光纤传输光信号，WiFi 通过无线电波传输信号；网卡将帧转换为电信号，通过网线发送到交换机。

三，TCP/IP 模型（TCP/IP协议栈）（Transmission Control Protocol/Internet Protocol Model）是互联网的核心通信架构

一、TCP/IP 模型的分层结构（4 层划分）

TCP/IP 模型从顶层到底层分为以下 4 层，每层负责特定的通信功能，通过协议协作完成端到端的数据传输：

1. 应用层（Application Layer）

核心功能：为用户应用程序提供网络服务接口，直接处理用户数据。
包含协议：整合了 OSI 模型中应用层、表示层和会话层的功能，常见协议有：
- HTTP/HTTPS：网页访问（超文本传输协议）；
- FTP：文件传输协议；
- SMTP/POP3：邮件发送与接收；
- DNS：域名解析（将域名转换为 IP 地址）；
- SSH/Telnet：远程登录。
数据单位：用户数据（如网页内容、文件、邮件正文）。
示例：浏览器通过 HTTP 协议向服务器请求网页，邮件客户端通过 SMTP 发送邮件。

2. 传输层（Transport Layer）

核心功能：提供端到端的可靠数据传输，负责数据的分段、重组、流量控制和差错控制。
核心协议：
- TCP（Transmission Control Protocol）：面向连接、可靠的字节流传输。通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接，使用确认机制、重传机制和滑动窗口实现流量控制，确保数据不丢失、不重复、按序到达。适用于文件传输、网页加载等对可靠性要求高的场景。
- UDP（User Datagram Protocol）：无连接、不可靠的数据报传输。无需建立连接，传输速度快，但不保证数据送达顺序和完整性。适用于视频通话、实时游戏、DNS 查询等对实时性要求高的场景。
数据单位：TCP 称为 “段（Segment）”，UDP 称为 “数据报（Datagram）”。
关键机制：通过端口号（0-65535）标识主机中的进程（如 80 端口对应 HTTP 服务，443 端口对应 HTTPS 服务）。

3. 网络层（Internet Layer）

核心功能：实现跨网络的路由选择，将数据从源主机发送到目标主机（可能经过多个路由器）。
核心协议：
- IP（Internet Protocol）：为主机分配唯一的 IP 地址（如 IPv4 的 192.168.1.1，IPv6 的 2001:db8::1），定义数据包的格式和路由规则。
- ICMP（Internet Control Message Protocol）：用于网络诊断和控制（如 ping 命令检测主机可达性，traceroute 追踪路由路径）。
- ARP（Address Resolution Protocol）：将 IP 地址转换为物理 MAC 地址（同一局域网内通信需要）。
- 路由协议：如 OSPF、RIP，用于路由器之间交换路由信息，生成路由表。
数据单位：数据包（Packet）。
关键机制：路由器根据 IP 地址和路由表，决定数据包的下一跳转发路径。

4. 网络接口层（Network Interface Layer）

核心功能：处理物理层的原始数据，实现同一局域网内的帧传输，负责 MAC 地址寻址和数据链路管理。
包含内容：对应 OSI 模型的数据链路层和物理层，涉及：
- 数据链路层协议：如以太网（Ethernet）、PPP（点对点协议），定义帧的格式（包含 MAC 地址、校验码等）。
- 物理层规范：如网线、光纤等物理介质的电气特性，信号传输规则（如比特流转换为电信号 / 光信号）。
数据单位：帧（Frame）。
关键机制：通过 MAC 地址（硬件地址，如 00:1A:2B:3C:4D:5E）标识局域网内的设备，使用 CRC 校验检测帧传输是否损坏。

http：超文本传输协议

1.DNS（Domain Name System，域名系统）域名解析服务

服务器是互联网的核心基础设施之一，其核心作用是将人类可读的域名（如 www.baidu.com）转换为计算机可识别的 IP 地址（如 202.108.2.147），解决 “记域名易、记 IP 难” 的问题，同时实现域名与 IP 地址的动态映射，支撑互联网服务的灵活部署。

2.DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）

是一种运行在应用层的网络协议，主要用于自动为局域网内的设备分配 IP 地址及其他网络配置参数（如子网掩码、网关、DNS 服务器等），避免了手动配置 IP 的繁琐和地址冲突问题，是局域网中不可或缺的基础设施。

ip：互联网协议

icmp：互联网控制管理协议，网络诊断

ARP（Address Resolution Protocol）地址转换协议

是 TCP/IP 协议族中网络层的核心协议，用于将 IP 地址转换为物理 MAC 地址（Media Access Control Address），解决 “同一局域网内设备如何通过 IP 地址找到对方物理地址” 的问题，是局域网通信的基础。

RARP：将物理MAC地址转换成IP地址

OSI 模型（7 层）	TCP/IP 模型（4 层）	核心对应关系	典型协议 / 功能
应用层	应用层	直接对应，包含 OSI 的 3 层功能	HTTP、FTP、DNS、SMTP
表示层	应用层	合并到应用层	数据加密、格式转换（如 SSL）
会话层	应用层	合并到应用层	会话管理（如 HTTP 会话）
传输层	传输层	直接对应	TCP、UDP
网络层	网络层	直接对应	IP、ICMP、OSPF
数据链路层	网络接口层	合并物理层和数据链路层	Ethernet、PPP、ARP
物理层	网络接口层	合并物理层和数据链路层	网线、光纤、信号传输

IP 地址（Internet Protocol Address）是互联网中标识唯一标识设备的逻辑地址

（1）IP地址的组成：网络位+主机位

sudo vim/etc/network/interfaces 网络配置文件，配置网卡分配ip地址的方式。

（2）IP地址的分类：点分十进制 .ipv4

1. A 类地址（超大型网络）

核心特征：
二进制前 1 位固定为 0（前 4 位范围：0000-0111），网络位长度为 8 位，主机位长度为 24 位。
地址范围：
十进制 1.0.0.0 ~ 126.255.255.255（注：0.0.0.0 表示本机未分配 IP，127.0.0.0 为回环地址，均不属于 A 类可用地址）。
子网掩码：默认 255.0.0.0（二进制 11111111.00000000.00000000.00000000）。
可容纳主机数：
主机位共 24 位，理论可容纳 2²⁴ - 2 = 16777214 台设备（减 2 是排除 “网络地址” 和 “广播地址”）。
适用场景：早期互联网主干网、超大型机构（如早期的 IBM、AT&T），目前 A 类地址已基本分配完毕。

2. B 类地址（大中型网络）

核心特征：
二进制前 2 位固定为 10（前 4 位范围：1000-1011），网络位长度为 16 位，主机位长度为 16 位。
地址范围：
十进制 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255。
子网掩码：默认 255.255.0.0（二进制 11111111.11111111.00000000.00000000）。
可容纳主机数：
主机位共 16 位，理论可容纳 2¹⁶ - 2 = 65534 台设备。
适用场景：中型企业、高校、运营商的二级网络（如某省电信的城域网）。

3. C 类地址（小型网络）

核心特征：
二进制前 3 位固定为 110（前 4 位范围：1100-1101），网络位长度为 24 位，主机位长度为 8 位。
地址范围：
十进制 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255。
子网掩码：默认 255.255.255.0（二进制 11111111.11111111.11111111.00000000）。
可容纳主机数：
主机位共 8 位，理论可容纳 2⁸ - 2 = 254 台设备（最适合小型局域网）。
私有：192.168.0.0 - 192.168.255.255
静态路由
192.168.0.0
192.168.0.1网关
192.168.0.255
适用场景：家庭 WiFi、小型办公室、商铺等设备数量较少的网络（如家庭中 10 台以内的手机、电脑、智能设备）。

4. D 类地址（组播地址）

核心特征：
二进制前 4 位固定为 1110（前 4 位范围：1110），无网络位和主机位之分，不用于单播通信，仅用于 “组播”（一对多通信）。
地址范围：
十进制 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255。
典型用途：
视频会议（向多个参会设备同步发送视频流）、IPTV（向多个用户推送电视信号）、路由器之间的路由协议通信（如 OSPF）。
示例：224.0.0.1 是 “所有主机” 的组播地址，224.0.0.2 是 “所有路由器” 的组播地址。

5. E 类地址（保留地址）

核心特征：
二进制前 4 位固定为 1111（前 4 位范围：1111），无网络位和主机位之分，不对外开放使用。
地址范围：
十进制 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255（注：255.255.255.255 是全局广播地址，属于特殊用途，不归属 E 类可用地址）。
用途：仅用于科研、实验或未来扩展（如 IPv4 向 IPv6 过渡的技术测试），目前无实际商用场景。

1.配置网络设置：

命令：

①ifconfig：查询网络地址

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

②ping 网络诊断

③netstat -anp：查看本机所有的网络连接信息

2.网络接口：

1.socket 套接字：用于网络通信的一组接口函数。

本质：文件描述符（网络设备的）

2.ip+port：地址+端口：

ip地址用来识别主机

port端口用来识别应用程序（查找进程）

port（端口）：分为TCP port/UDP port

范围：1-65535

1000以内的端口为系统使用

3.网络字节序：①pc，arm ：都是小端存储设备（数据的地位存放在低地址）

②网络：大端存储

udp，不可靠(丢包)低延迟网络开销小，无链接

（1）server（服务端）

1.socket：创建套接字，打开网路设备

2.bind ：给套接字，设置ip+port（地址+端口）

3.recvform ：先阻塞等待客服端发送文件
4. sendto：送回客服端

#include<arpa/inet.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include<time.h>
typedef struct sockaddr * (SA);
int	main(int argc, char **argv)
{//创建套接字sockfd//AF_INET为互联网类型网络//SOCK_DGRAM为UDP端口类型（不可靠）int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(-1==sockfd){perror("socket");return 1;}//man 7 ip查看地址结构体struct sockaddr_in ser,cli;ser.sin_family=AF_INET;ser.sin_port=htons(50000);ser.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.1.23");int ret=bind(sockfd,(SA)&ser,sizeof(ser));if(-1==ret){perror("bind");return 1;}time_t tm;socklen_t len=sizeof(cli);while (1){char buf[512]={0};//等待接收客户端time(&tm);recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(SA)&cli,&len);sprintf(buf,"%s %s",buf,ctime(&tm));//向客户端发送printf("recv %s\n",buf);sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(SA)&cli,len);}//system("pause");return 0;
}

（2）client（客户端）

1.socket，打开网络设备

2. sendto：向服务端发送信息

3.recvform：接受服务端传回的信息

#include<arpa/inet.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include<time.h>
typedef struct sockaddr * (SA);
int	main(int argc, char **argv)
{//创建套接字，打开网络int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(-1==sockfd){perror("socket");return 1;}//struct sockaddr_in ser;ser.sin_family=AF_INET;ser.sin_port=htons(50000);ser.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.1.23");int i=10;while (i--)//循环发送{char buf[512]="hello,白海英";//发送信息sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(SA)&ser,sizeof(ser));//将buf清空，准备接收服务端bzero(buf,sizeof(buf));//接收服务端信息recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,NULL,NULL);printf("from ser:%s\n",buf);sleep(1);}close(sockfd);//system("pause");return 0;
}

做服务端的ip地址是自己的，
做客户端的ip地址是服务端的。


#include<arpa/inet.h>   // 提供IP地址转换函数（如inet_addr）和网络数据结构
#include<stdio.h>        // 标准输入输出函数（如printf、perror）
#include<stdlib.h>       // 标准库函数（如exit，确保兼容性）
#include<string.h>       // 字符串操作函数（如bzero，可扩展使用）
#include<sys/types.h>    // 定义系统数据类型（如ssize_t、socklen_t）
#include<sys/socket.h>   // 提供套接字操作函数（如socket、sendto、recvfrom）
#include<unistd.h>       // 提供文件关闭函数（close）和睡眠函数（sleep）
#include <netinet/in.h>  // 定义网络地址结构（如struct sockaddr_in）
#include <netinet/ip.h>  // 提供IP协议相关定义（用于兼容性）
#include <fcntl.h>       // 提供文件打开控制选项（如O_RDONLY、O_WRONLY）// 类型重定义：将struct sockaddr*简化为SA，减少代码冗余
typedef struct sockaddr * (SA);int	main(int argc, char **argv)
{// 创建UDP套接字（打开网络通信通道）int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd){perror("socket");  // 打印套接字创建失败原因return 1;}// 初始化服务端地址结构（指定数据发送目标）struct sockaddr_in ser;ser.sin_family = AF_INET;        // 使用IPv4协议ser.sin_port = htons(50000);     // 服务端端口（网络字节序）ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.123");  // 服务端IP地址// 打开源文件（待发送的图片）和目标文件（接收后保存的图片）int fd = open("1.png", O_RDONLY);                 // 只读打开源文件int fd_s = open("2.png", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);  // 创建/打开目标文件if (fd == -1 || fd_s == -1) {perror("文件打开失败");  // 打印文件操作失败原因close(fd);close(fd_s);close(sockfd);return 1;}char buf[1024];          // 数据缓冲区（每次最多处理1024字节）ssize_t n;               // 存储实际读取/发送的字节数（支持负数表示错误）socklen_t ser_len = sizeof(ser);  // 服务端地址结构长度/***************************************************************************** 核心循环：分块读取文件 → 发送数据 → 接收反馈 → 写入目标文件* 循环逻辑："读一点，发一点，收一点，写一点"（而非一次性处理整个文件）* 适用场景：大文件传输（避免占用过多内存）、网络分片传输（符合UDP特性）***************************************************************************/// read函数：从源文件fd读取数据到buf，最多读sizeof(buf)=1024字节// 循环条件：n > 0 → 读取到有效数据，继续处理；n ≤ 0 → 文件读完或出错，退出循环while ((n = read(fd, buf, sizeof(buf))) > 0) {/****************** 发送阶段：将刚读取的一块数据发送给服务端 ******************/// sendto参数n：使用实际读取的字节数（而非缓冲区大小），避免发送无效空数据// 例如：文件只剩500字节时，n=500，仅发送500字节有效数据sendto(sockfd, buf, n, 0, (SA)&ser, sizeof(ser));//清空buf，为下一次循环做准备bzero(buf, sizeof(buf));/****************** 接收阶段：等待服务端回传数据（确认或原数据） ******************/// 覆盖buf中的发送数据（因发送数据已通过网络发出，缓冲区可复用）recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);/****************** 写入阶段：将服务端回传的数据写入目标文件 ******************/// 写入字节数与发送时的n一致，确保每块数据大小匹配，最终文件完整write(fd_s, buf, n);}// 释放资源（关闭所有打开的文件和套接字，避免资源泄漏）close(sockfd);close(fd);close(fd_s);return 0;
}

重点理解while循环：

核心逻辑是 while ((n = read(fd, buf, sizeof(buf))) > 0) 循环—— 它的行为是 “读一点、发一点、收一点、写一点”，即每次从文件中读取一块数据（最多 1024 字节），立即发送给服务端，再接收服务端的反馈，最后将反馈数据写入目标文件，直到文件全部读完。

循环自动执行下一次的原理

循环的核心是条件判断和数据读取的连续性：

每次循环结束后，自动回到条件判断
当循环体内的代码（发送、接收、写入）执行完毕后，程序会自动回到循环开头，重新执行 n = read(fd, buf, sizeof(buf))。
read 函数会 “记住” 上一次的读取位置
操作系统会为打开的文件（fd）维护一个 “文件指针”，记录当前读取到的位置。每次 read 后，指针会自动移动到下一个未读取的字节。
- 例如：第一次读取 1024 字节后，指针指向第 1025 字节；
- 下一次 read 会从第 1025 字节开始读取，直到文件末尾。
循环终止条件
当 read 返回 0（文件读完）或 -1（读取错误）时，n > 0 条件不成立，循环自动退出，不会进行下一次。