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【Linux网络编程】Socket编程-Socket理论入门

news 来源：原创 2025/5/19 6:32:16

网络的几种地址格式

IP地址

MAC地址

Socket理论基础

网络字节序

大端？小端？

字节序转换函数

Socket常见API

socket()

bind()

listen()

accept()

connect()

send()

recv()

sendto()

recvfrom()

write()/read()

close()

sockaddr数据结构

结构体类型：

结构示意图：

实际用途：

上文我们已经了解了协议的相关知识以及其作用。说到底还是为了使得多台计算机能够通信，但是也有多台计算机的距离因素影响。如果两台计算机就在相邻的两个座位上，那直接拿条数据线通信就完了。但是正是个人计算机的普及，使得天南海北的计算机都有互相通信的需求，那么我们就需要搭建能跨距离的通信网络。

那么随着计算机网络的普及，这一问题也得到了解决。在该领域比较原始的就是Socket编程了（至于说比较原始是因为，很多个人、企业、组织都基于Socket封装了适用于当下环境的更为方便、系统的编程函数，后面我也会试着简单的封装一些函数，来简化我们的代码的）。

在此之前，我们先来了解一下Socket的理论基础吧。

网络的几种地址格式

IP地址

ip地址是设备在网络中的逻辑标识，用于定位和数据转发。目前主要有IPv4和IPv6两种版本：

IPv4：32位的二进制数，通常以点分十进制的形式表示（192.168.44.188）。按地址范围分为：A、B、C、D、E五类，通过子网掩码划分网络号与主机号。这块之后能学到在提，主要是了解IPv4的地址格式：点分十进制。

IPv6：128位地址，采用十六进制冒号表示（如：2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334），主要是为了解决IPv4地址枯竭问题，广泛应用于新一代网络。

MAC地址

首先，我们上文已经提到了协议格式的问题，在以太网帧格式中，有目的地址和源地址，而且也提到了，这个地址是Mac地址。

MAC地址由48位二进制数（6个字节）组成，通常表示为12位十六进制数 [9]，格式为XX-XX-XX-XX-XX-XX [8]。如：00-16-EA-AE-3C-40就是一个MAC地址，其中前3个字节，16进制数00-16-EA代表网络硬件制造商的编号，它由 IEEE (电气与电子工程师协会)分配，而后3个字节，16进制数AE-3C-40代表该制造商所制造的某个网络产品 (如网卡)的系列号。

我们也可以看出，每台机器都会配备有一个叫做网卡的硬件，这个网卡有一个唯一的编号，这是制造厂商规定的，这是全球唯一。那么有了唯一标识我们才方便寻找地址。

我们可以在电脑的网络属性中看到关于本机的一些网络信息。其中物理地址就是我们的MAC地址。目前博主我使用的这台机房的电脑的物理地址是：52-54-00-11-5C-1C。

在底层通信时，ARP寻址和RARP反向寻址时就需要用到这个地址。

ARP协议：根据Ip地址获取Mac地址

RARP协议：根据Mac地址获取对应的Ip地址

这个东西上文我们其实已经提到了，此处给出ARP/RARP报文的具体格式。

在物理寻址时，我们想给目标机发送消息，但是我们不知道目标机的MAC地址，那么就先将目的地址给隐藏xx-xx-xx-xx-xx-xx，然后填充本机MAC地址：52-24-00-11-5C-1C。我是发送端，那么我虽然不需要MAC地址，但必须要有对方的IP地址我才能通信，所以帧类型为ARP。在ARP报文中硬件类型这就没什么说的了，协议类型决定了传输过程中采用的协议，例如：TCP/UDP协议。硬件地址长度、协议地址长度也分别使用一字节表示即可。操作类型分为ARP请求和应答、RARP请求和应答。发送时使用ARP请求。发送者以太网地址也是本机已知，填充即可。发送者的IP地址采用IPv4:192.168.44.188，也知道目标IP地址。那么我就可以将这个ARP报文携带着发送到网络环境。然后到了网络环境中，经过一些列操作找到了目标机器，那么目标机就会将消息携带的内容中：源地址填充到目标地址，将本机地址填充到源地址，将应答消息发送回去。

Socket理论基础

Socket （套接字）是网络编程的抽象接口，定义了不同主机进程间通信的方式。它屏蔽了底层网络细节，提供统一编程接口。根据通信协议，Socket分为：

流式Socket（SOCK_STREAM）：基于TCP协议，提供可靠、有序的字节流传输。

数据报式Socket（SOCK_DGRAM）：基于UDP协议，以无连接的方式传输数据报。

那么Socket通信需要知道的内容就是：

源IP地址：发送端的IP地址，轻易已知。

目的IP地址：接收端的IP地址，一般需要提前获知。

在本文上面我们也介绍了IP地址，那么加上定语：源的、目标的。意义也显而易见了。

只知道这两个IP地址确实就能够使两台机器通信了。但是还有一个问题：机器A打开的是QQ，机器B打开的是微信。A用QQ发送的消息，B能用微信接收吗？显然不可以，那么我怎么确定要发给哪个应用程序呢，也就是具体是哪个进程要通信的问题？

其实看到这里能直接联想到的就是进程ID了，这样就能确定是哪个进程了。但是，进程ID属于内核级数据，我们用户级轻而易举就拿PID来操作，显然危险性极大。此时就需要额外引入一个内容来标识这个东西：端口号-Port。这个端口只能唯一的被一个进程占用（不绝对，有专门的端口复用的技术）。

那么，目的IP可以帮助我找到发送对象的居住楼，端口号可以帮助我找到发送对象的门牌号。

我们的Socket编程就是基于这两点来进行通信的。

网络字节序

大端？小端？

在内存的学习中，我们或许接触过大端存储、小端存储的概念。在网络的学习中，也是有着这么一个内容的。不同的计算机系统可能采用不同字节序（大端or小端）。为了避免混淆，网络通信统一采用大端字节序。编程中，需要通过一些转换函数来确保数据的正确性。

其实这里面也有着一定的历史遗留因素在里面：

《豆包大模型生成》

        在计算机发展早期，IBM、Intel 等大公司在技术实现上缺乏合作，各自按照不同的理念设计系统。例如，Motorola 的 PowerPC 系列 CPU、IBM 的 System/360 系列计算机采用大端序（低地址存放最高有效字节），而 Intel 的 x86 系列、DEC 的 PDP - 11 系列计算机则采用小端序（低地址存放最低有效字节）。这种因厂商技术路线差异形成的两种字节序存储方式，为后续网络通信埋下了兼容性隐患。

        随着技术发展，更多样化的处理器架构涌现，如 SPARC（除 V9 外）、MIPS 等采用大端序，VAX 等采用小端序。不同架构的设备之间通信时，若直接传输数据，因字节序不同会导致数据解析错误（例如，0x12345678 在大端序和小端序系统中存储顺序不同，直接传输会使接收方误解数据）。然而，当时没有强制的工业标准来统一字节序，这种混乱局面持续存在。

        20 世纪 90 年代，网络技术普及，计算机间数据交换变得频繁。为解决不同字节序设备通信时的数据一致性问题，必须确立统一的传输格式。大端序因与人类阅读数字的习惯（从高位到低位）相似，且在早期网络协议设计中被广泛采用，最终被确定为网络字节序（如所有网络协议均采用大端序传输数据）。而各主机若采用不同字节序（如 x86 的小端序），在发送数据前需转换为网络字节序，接收时再转换回本地字节序，这种转换机制延续至今，成为网络通信的基础规则。

大端存储指的是：低地址存高字节；小端存储指的是：低地址存低字节。

对于0x12345678，如果是大端存储，从地址0x00000000到0x00000003，依次存放：12、34、56、78；但如果是小端存储，那么存放的就正好相反：78、56、34、12。

如果把地址当成一个双字符数组（即一个位置存放两个字符），

那么大端就是：

data:12 34 56 78

pos: [0 1 2 3]

小端则是：

data:78 56 34 12

pos: [0 1 2 3]

如果能深刻的理解使用数组模拟大整数加减乘除的算法高精度算法，那么这个就很容易看懂了。

字节序转换函数

头文件：	#include <arpa/inet.h>
返回值类型	函数名	参数类型	参数名
uint32_t	htonl	uint32_t	hostlong
uint16_t	htons	uint16_t	hostshort
uint32_t	ntohl	uint32_t	netlong
uint16_t	ntohs	uint16_t	netshort

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

函数名解析：

host to network long（主机字节序转网络字节序，32位）

host to network short （主机字节序转网络字节序，16位）

network to host long（网络字节序转主机字节序，32位）

network to host short（网络字节序转主机字节序，16位）

例如：端口号port通常是short类型的，我们就需要使用int netport = htons(port)转成网络字节序的数字。而ip地址需要使用32位，但是通常的IP地址是点分十进制，还需要使用字符串与数字的转换函数，比较麻烦，使用较少。用的比较多的就是htons了。

Socket常见API

socket()

int socket(int domain, int type, int protocol);    //（Linux）
SOCKET socket(int domain, int type, int protocol); //（Windows）

函数作用：创建一个套接字，确定通信使用的协议族、数据传输方式及协议，为后续网络操作奠定基础。

参数解析：

domain：协议族（地址族），如 AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）、AF_UNIX（Unix 域套接字）。
type：套接字类型，SOCK_STREAM（TCP，面向连接，可靠传输）、SOCK_DGRAM（UDP，无连接，高效但不可靠）、SOCK_RAW（原始套接字，直接访问底层协议，较少用）。
protocol：具体协议，通常设为 0，由系统根据 domain 和 type 自动选择（如 domain=AF_INET 且 type=SOCK_STREAM 时，自动对应 TCP 协议）。

返回值解析：

成功：返回套接字描述符（Linux 下为非负整数文件描述符；Windows 下为 SOCKET 类型句柄）。
失败：返回 -1（Linux）或 INVALID_SOCKET（Windows）。

bind()

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

函数作用：将套接字与本地特定的 IP 地址和端口绑定。服务端通常在监听前调用 bind() 绑定知名端口以提供服务；客户端一般可不调用（连接时系统自动分配），但也可指定地址端口。

参数解析：

sockfd：socket() 函数返回的套接字描述符。
myaddr：指向本地地址和端口的结构体（如 sockaddr_in 用于 IPv4，需设置 sin_family、sin_port（网络字节序）、sin_addr）。
addrlen：myaddr 结构体的长度，通常为 sizeof(struct sockaddr)。

返回值解析：

成功：0。
失败：-1。

listen()

int listen(int sockfd, int backlog);

函数作用：仅用于 TCP 服务端，将套接字从主动连接状态（默认）转换为被动监听状态，准备接受客户端连接请求。

参数解析：

sockfd：socket() 函数返回的套接字描述符（需为 TCP 套接字）。
backlog：内核为该套接字维护的最大连接队列长度，包括未完成三次握手的连接和已完成握手的连接。多数系统默认值为 20。

返回值解析：

成功：0。
失败：-1。

accept()

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

函数作用：TCP 服务端调用，从已完成连接队列中取出下一个建立成功的客户端连接。若队列为空，函数阻塞（默认行为）。

参数解析：

sockfd：已调用 listen() 的 TCP 监听套接字描述符。
addr：输出参数，用于存放客户端地址（如 sockaddr_in 结构体）。
addrlen：输入 / 输出参数，输入时为 addr 缓冲区长度，输出时为实际存储的地址长度。

返回值解析：

成功：返回新的套接字描述符（用于与客户端通信，称为已连接套接字）。
失败：-1。

connect()

int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);

函数作用：

TCP 客户端：发起三次握手，与服务端建立连接。
UDP：非必须调用，但若调用则 “记住” 目的地址和端口，后续可直接用 send()/recv() 替代 sendto()/recvfrom() 收发数据。

参数解析：

sockfd：客户端套接字描述符（TCP 或 UDP）。
serv_addr：指向服务端地址的结构体（如 sockaddr_in，包含服务端 IP 和端口，网络字节序）。
addrlen：serv_addr 结构体的长度。

返回值解析：

成功（TCP）：0（完成三次握手，建立连接）。
失败（TCP）：-1。

send()

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

函数作用：在 TCP 连接上发送数据，需确保套接字已连接（通过 connect() 或 accept()）。
参数解析：
sockfd：已连接的 TCP 套接字描述符。
buf：指向发送数据缓冲区的指针。
len：发送数据的长度（字节数）。
flags：标志位，一般设为 0（表示正常发送），可选值如 MSG_OOB（发送带外数据）。

返回值解析：
成功：返回实际发送的字节数。
失败：-1。

recv()

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

函数作用：在 TCP 连接上接收数据，若缓冲区无数据且对方未关闭连接，函数阻塞（默认行为）。
参数解析：
sockfd：已连接的 TCP 套接字描述符。
buf：指向接收数据缓冲区的指针。
len：缓冲区长度（字节数）。
flags：标志位，一般设为 0（正常接收），可选值如 MSG_PEEK（窥探数据，不从接收队列移除）。

返回值解析：
成功：返回实际接收的字节数（0 表示对方关闭连接）。
失败：-1。

sendto()

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

参数：
sockfd：UDP 套接字描述符。
buf：指向发送数据缓冲区的指针。
len：发送数据的长度（字节数）。
flags：标志位，一般设为 0。
dest_addr：指向目的地址的结构体（如 sockaddr_in，包含目的 IP 和端口，网络字节序）。
addrlen：dest_addr 结构体的长度。

返回值：
成功：返回实际发送的字节数。
失败：-1。

作用：向指定地址（dest_addr）的 UDP 套接字发送数据，无需提前建立连接。

recvfrom()

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

参数：
sockfd：UDP 套接字描述符。
buf：指向接收数据缓冲区的指针。
len：缓冲区长度（字节数）。
flags：标志位，一般设为 0。
src_addr：输出参数，用于存放发送方地址（如 sockaddr_in 结构体）。
addrlen：输入 / 输出参数，输入时为 src_addr 缓冲区长度，输出时为实际存储的地址长度。

返回值：
成功：返回实际接收的字节数。
失败：-1。

作用：从 UDP 套接字接收数据，并获取发送方地址。若缓冲区无数据，函数阻塞（默认行为）。

write()/read()

write();//--写数据（与文件写一致）read();//--读数据（与文件读一致）

close()

int close(int fd);//（Linux）
int closesocket(SOCKET s);//（Windows）

参数：
s（Windows）/ fd（Linux）：待关闭的套接字描述符。

返回值：
成功：0。
失败：-1。

作用：关闭套接字，释放相关资源（如文件描述符、缓冲区等）。Windows 下使用 closesocket()，Linux 下使用 close()（本质是关闭文件描述符）。

sockaddr数据结构

结构体类型：

#include <sys/socket.h>  
struct sockaddr {  sa_family_t sa_family;   // 地址族（Address Family），用于指定地址类型  char sa_data[14];        // 存储实际地址数据，其格式和长度随地址族变化  
};

网络编程中，sockaddr_in 是专门用于表示 IPv4 地址的结构体，定义在头文件 <netinet/in.h> 中。它通过清晰的字段划分，方便开发者操作 IPv4 地址的关键信息（如端口、IP 地址），并与通用结构体 sockaddr 兼容（通过强制类型转换）。

#include <netinet/in.h>  struct in_addr {  in_addr_t s_addr;  // 32 位 IPv4 地址（网络字节序，大端）  
};  struct sockaddr_in {  sa_family_t    sin_family;  // 地址族（必须为 AF_INET，表示 IPv4）  in_port_t      sin_port;    // 端口号（网络字节序，大端）  struct in_addr sin_addr;    // IPv4 地址结构体（含 32 位地址）  char           sin_zero[8]; // 填充字段（无实际意义，用于与 sockaddr 对齐）  
};

结构示意图：

实际用途：

在bind（）函数中需要创建一个sockaddr_in结构体：

struct sockaddr_in serv_addr;  // IPv4 专用结构体  
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  // 初始化所有字段为 0  // 设置 IPv4 地址族  
serv_addr.sin_family = AF_INET;  // 设置端口（8080 转换为网络字节序）  
serv_addr.sin_port = htons(8080);  // 绑定所有可用接口（INADDR_ANY）  
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 强制转换为 sockaddr* 类型，传递给 bind 函数  
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

感谢大家！