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Linux学习-通信（网络通信）

news 2025/8/23 7:19:36

一、Linux 应用软件编程 - 网络编程 整体框架

涵盖 文件操作、多任务并发 基础，核心聚焦 “不同主机进程间通信”，解决 物理网络连通 + 软件进程互通 问题。
在这里插入图片描述

二、网络通信核心概念

1. 网络标识体系
标识类型作用特点
IP 地址软件地址，标识主机分公网（直连互联网）、私网（局域网内）
MAC 地址硬件地址，固定标识设备全球唯一
端口号标识主机内不同网络进程16 位整数（0~65535）
2. 网络协议与分层模型
  • OSI 七层模型（理论参考）：从应用层到物理层定义通信标准，核心关注 传输层（TCP/UDP）、网络层（IP 路由）。
  • TCP/IP 五层模型详细说明表
层级（从下到上）核心功能常见协议典型设备关键技术/标识应用场景示例
1. 物理层定义物理设备标准，处理物理介质上的原始比特流传输，规定电气、机械、接口特性无独立协议（依赖硬件标准）集线器、中继器、网线、光纤、无线AP比特流、物理接口（RJ-45、LC）以太网物理连接、Wi-Fi信号传输
2. 数据链路层封装原始比特流为“帧”，实现相邻节点间可靠传输，处理帧同步、差错控制、MAC寻址以太网协议（Ethernet）、PPP（点到点协议）、HDLC（高级数据链路控制协议）交换机、网卡帧、MAC地址（设备硬件地址）局域网内设备间数据转发
3. 网络层实现跨网络的“数据包”路由与转发，通过IP地址定位主机，选择最优传输路径IP（IPv4/IPv6）、ICMP（控制报文协议，如ping）、ARP（IP转MAC）、RARP（MAC转IP）路由器、三层交换机数据包、IP地址（网络逻辑地址）不同局域网间数据跨网段传输
4. 传输层提供端到端通信服务，控制数据传输的可靠性/效率，处理顺序、流量、差错控制TCP（面向连接、可靠传输）、UDP（无连接、高效传输）无（依赖主机操作系统）字节流（TCP）、数据报（UDP）、端口号（进程标识）文件传输（TCP）、视频会议（UDP）
5. 应用层直接为用户应用程序提供服务，定义应用间通信的协议与数据格式HTTP（网页浏览）、HTTPS（安全网页）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件发送）、DNS（域名解析）计算机、服务器（运行应用程序）应用数据（如HTML、文件、邮件内容）网页访问、文件上传下载、邮件发送
3. IP 地址深度解析
  • 结构：IP = 网络位 + 主机位（通过子网掩码区分），例：192.168.0.121/24 中，24 表示网络位占 24 位。
  • IP地址分类：
    类别范围子网掩码应用场景
    A1.0.0.0~126.255.255.255255.0.0.0大规模网络
    B128.0.0.0~191.255.255.255255.255.0.0中大规模网络
    C192.0.0.0~223.255.255.255255.255.255.0中小规模网络
    D224.0.0.0~239.255.255.255-组播/广播
    E240.0.0.0~255.255.255.254-实验用途
  • 特殊地址：
    • 私网 IP（如 10.0.0.0/8、192.168.0.0/16）：局域网内使用，无法直连互联网。
    • 回环地址（127.0.0.0/8）：用于本机进程间通信。
4. 端口号

16位整形数据（unsigned short）0 ~65535
功能：标记同一主机的不同网络进程

范围类型说明典型协议/应用
1~1023知名端口系统/通用服务保留HTTP(80)、FTP(20/21)、HTTPS（443）、TFPT（69）
1024~49151注册端口特殊服务使用（需 IANA 分配）MQTT(1883/8883)
49152~65535动态/私有端口应用临时分配客户端随机端口

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三、网络调试与配置工具

工具作用示例命令
ping检测网络连通性ping www.baidu.com
ifconfigLinux 查看/配置 IPifconfig eth0
ipconfigWindows 查看 IPipconfig /all
虚拟机网络配置桥接模式（直连局域网）、NAT（共享主机网络）VMware 中设置“桥接模式”

Linux下：
修改网络配置文件：sudo vim/etc/network/interfaces
重启网络服务：sudo /etc/init.d/networking restart
测试： ping www.baidu.com

四、网络编程实践（UDP 为例）

1. C/S 模型对比
模型客户端特点开发场景资源加载方式
B/S通用（浏览器）主要开发服务端全依赖服务端加载
C/S专用客户端服务端 + 客户端都需开发本地可缓存资源 ,无需所有数据都请求服务器
2. UDP 编程流程（C/S 架构）
  • 服务端：socket() → bind() → recvfrom() → sendto() → close()
  • 客户端：socket() → sendto() → recvfrom() → close()

五、关键函数解析

函数功能核心参数说明
socket()创建套接字domain（AF_INET=IPv4）、type（SOCK_DGRAM=UDP）
bind()绑定 IP+端口需指定 struct sockaddr_in（含 IP、端口）
sendto()发送数据需传入对端地址（dest_addr）
recvfrom()接收数据可获取发送端地址（src_addr）
socket：创建套接字
int socket(int domain, int type, int protocol);
  • 功能：创建一个网络套接字（通信端点），返回用于后续网络操作的文件描述符。
  • 参数：
    • domain：地址族（协议族），指定网络通信的地址类型。常用值：AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）。
    • type：套接字类型，指定通信方式。常用值：SOCK_STREAM（TCP，面向连接、可靠传输）、SOCK_DGRAM（UDP，无连接、不可靠传输）。
    • protocol：具体协议，通常填 0 表示使用 type 对应的默认协议（如 SOCK_STREAM 对应 TCP，SOCK_DGRAM 对应 UDP）。
  • 返回：成功返回非负套接字描述符（sockfd），失败返回 -1（需检查 errno）。
bind：绑定 IP + 端口
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 功能：将套接字 sockfd 与指定的 IP + 端口 绑定，让系统知道该套接字监听哪个地址。
  • 参数：
    • sockfd：套接字（socket() 返回的文件描述符）。
    • addr：要绑定的地址（需强转为 struct sockaddr *，通常用 struct sockaddr_in 填充）。
    • addrlen：地址结构体的大小（sizeof(struct sockaddr_in)）。
  • 返回：成功返回 0，失败返回 -1（需检查 errno）。
sendto：发送 UDP 数据到指定地址

（补充说明，与之前知识联动）

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  • 功能：向指定地址（dest_addr）发送 UDP 数据。
  • 参数：
    • dest_addr：接收方的地址（struct sockaddr_in 填充 IP + 端口）。
recvfrom：接收 UDP 数据并获取发送方地址
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 sockfd 接收数据，同时获取 发送方的地址信息（src_addr）。
  • 参数：
    • sockfd：套接字。
    • buf：存储接收数据的缓冲区。
    • len：希望接收的最大字节数。
    • flags：通常填 0（阻塞接收）。
    • src_addr：用于存储 发送方地址（需用 struct sockaddr_in 解析）。
    • addrlen：地址结构体的大小（传入 sizeof(src_addr) 的指针）。
  • 返回：成功返回实际接收的字节数，失败返回 -1。
网络地址结构体（struct sockaddr_in）

用于描述 IPv4 网络地址，是 UDP/TCP 编程的基础数据结构。

struct sockaddr_in {sa_family_t  sin_family;    // 地址族（固定为 AF_INET 表示 IPv4）in_port_t    sin_port;      // 端口号（网络字节序）struct in_addr sin_addr;    // IP 地址（网络字节序）
};// IP 地址的二进制形式（网络字节序）
struct in_addr {uint32_t s_addr; 
};
参数：
  1. sin_family：
    • 必须填 AF_INET（表示 IPv4 地址族），否则通信失败。
  2. sin_port：
    • 存储 端口号，但必须用 网络字节序（通过 htons 转换）。
  3. sin_addr：
    • 存储 IP 地址（二进制形式，网络字节序），常用 inet_addr 或 inet_pton 转换字符串 IP。
字节序转换（网络大端 vs 主机小端 ）

网络通信要求 端口号、IP 地址 必须用 网络字节序（大端），而主机 CPU 可能是 小端，因此需要转换。

1. 核心函数
函数功能适用场景
htons(host_short)主机短整型 → 网络字节序端口号转换（16 位）
ntohs(net_short)网络字节序 → 主机短整型端口号转换（16 位）
htonl(host_long)主机长整型 → 网络字节序IP 地址转换（32 位）
ntohl(net_long)网络字节序 → 主机长整型IP 地址转换（32 位）
2. 示例（端口号转换）
uint16_t host_port = 50000;   // 主机字节序（小端）
uint16_t net_port = htons(host_port); // 转换为网络字节序（大端）
3. 字节序直观对比
  • 主机小端（x86 架构）：低字节存低地址，例：0x1234 存储为 0x34 0x12
  • 网络大端：高字节存低地址，例：0x1234 存储为 0x12 0x34
IP 地址字符串 ↔ 二进制转换

  • inet_addr(const char *cp)：

    • 功能：将字符串 IP（如 "192.168.0.171"）转换为 网络字节序的二进制 IP（uint32_t）。
    • 示例：
      struct in_addr ip;
ip.s_addr = inet_addr("192.168.0.171"); // 转换为网络字节序

  • inet_ntoa(struct in_addr in)：

    • 功能：将二进制 IP（网络字节序）转换为 字符串 IP（如 "192.168.0.171"）。
    • 示例：
      struct in_addr ip = {.s_addr = inet_addr("192.168.0.171")};
char *ip_str = inet_ntoa(ip); // 转换为字符串 "192.168.0.171"

六、练习（UDP 全双工通信）

  • 服务端（server.c）：

    #include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建 UDP 套接字struct sockaddr_in addr = {.sin_family = AF_INET, .sin_port = htons(50000), .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY};bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)); // 绑定端口char buf[1024];struct sockaddr_in client_addr;socklen_t len = sizeof(client_addr);while (1) {// 接收客户端数据 + 获取客户端地址ssize_t cnt = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);buf[cnt] = '\0';printf("收到来自 %s:%d 的数据：%s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port), buf);// 回复客户端sendto(sockfd, "已收到", 6, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, len);}close(sockfd);return 0;
}

  • 客户端（client.c）：

    #include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建 UDP 套接字struct sockaddr_in server_addr = {.sin_family = AF_INET, .sin_port = htons(50000), .sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.171")};char buf[1024];while (1) {fgets(buf, sizeof(buf), stdin); // 从终端读入数据sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 发数据// 接收服务端回复ssize_t cnt = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);buf[cnt] = '\0';printf("服务端回复：%s\n", buf);}close(sockfd);return 0;
}
http://www.dtcms.com/a/344339.html

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