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IP协议、以太网包头及UNIX域套接字

IP包头结构

IP协议是互联网的核心协议之一，其包头包含了丰富的信息来控制数据包的传输。让我们详细解析IPv4包头结构：

1. 4位版本号(version)：标识IP协议版本，IPv4值为4

2. 4位首部长度(header length)：以4字节为单位表示IP头长度，基础长度为20字节(5个单位)，最大60字节

3. 8位服务类型(Type Of Service)：
   • 3位优先权字段(已弃用)

   • 4位TOS字段：可设置最小延时、最大吞吐量、最高可靠性或最小成本

   • 1位保留字段(必须为0)

4. 16位总长度(total length)：IP报文(头+数据)的总长度

5. 16位标识(id)：唯一标识主机发送的报文，分片报文id相同

6. 3位标志字段：
   • 第1位：保留

   • 第2位：禁止分片(DF)，置1时若报文超MTU则丢弃

   • 第3位：更多分片(MF)，分片时除最后一片外都置1

7. 13位片偏移(fragment offset)：分片相对于原始数据的偏移，实际偏移=值×8

8. 8位生存时间(TTL)：最大跳数，防路由循环，每经一跳减1

9. 8位协议：标识上层协议类型

10. 16位首部检验和：仅校验头部，不检验数据部分

11. 32位源IP地址

12. 32位目标IP地址

13. 选项字段：可变长，最多40字节

最大传输单元(MTU)

MTU(Maximum Transmission Unit)是数据链路层能传输的最大数据帧大小，默认1500字节。当IP数据包超过MTU时：

• 若DF标志为0，则进行分片

• 若DF标志为1，则丢弃数据包

分片规则：
• 除最后一片外，其他分片长度必须是8的整数倍

• 接收方根据标识、片偏移和MF标志重组数据

以太网包头结构

以太网是应用最广泛的局域网技术，其帧结构如下：

1. 前导码(Preamble)：7字节0x55，用于时钟同步

2. 帧起始定界符(SFD)：1字节0xD5，标识帧开始

3. 目的MAC地址：6字节
   • 单播地址：首字节最低位为0

   • 组播地址：首字节最低位为1

   • 广播地址：全FF

4. 源MAC地址：6字节

5. 类型/长度字段：2字节
   • <0x0600：表示数据长度

   • ≥0x0600：表示协议类型(如0x0800为IP)

6. 数据：46-1500字节(MTU)

7. 校验(FCS)：4字节CRC校验

8. 帧间隙(IFG)：帧间最小间隔(96位时间)

UNIX域套接字详解

UNIX域套接字用于同一主机上的进程间通信(IPC)，比网络套接字更高效。

流式套接字(SOCK_STREAM)

服务器端流程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>#define SOCKET_PATH "/tmp/unix_socket_example"int main() {int server_fd, client_fd;struct sockaddr_un addr;char buffer[100];// 1. 创建套接字server_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);if (server_fd == -1) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 绑定套接字到文件系统路径memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));addr.sun_family = AF_UNIX;strncpy(addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);unlink(SOCKET_PATH); // 确保路径没有被占用if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_un)) == -1) {perror("bind");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 监听连接请求if (listen(server_fd, 5) == -1) {perror("listen");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("服务器正在等待连接...\n");// 4. 接受客户端连接client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);if (client_fd == -1) {perror("accept");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 5. 与客户端通信memset(buffer, 0, sizeof(buffer));read(client_fd, buffer, sizeof(buffer));printf("收到客户端消息: %s\n", buffer);const char *response = "你好，客户端！";write(client_fd, response, strlen(response) + 1);// 6. 关闭套接字close(client_fd);close(server_fd);unlink(SOCKET_PATH);return 0;
}

客户端流程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>#define SOCKET_PATH "/tmp/unix_socket_example"int main() {int client_fd;struct sockaddr_un addr;char buffer[100];// 1. 创建套接字client_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);if (client_fd == -1) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 连接到服务器memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));addr.sun_family = AF_UNIX;strncpy(addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_un)) == -1) {perror("connect");close(client_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 与服务器通信const char *message = "你好，服务器！";write(client_fd, message, strlen(message) + 1);memset(buffer, 0, sizeof(buffer));read(client_fd, buffer, sizeof(buffer));printf("收到服务器响应: %s\n", buffer);// 4. 关闭套接字close(client_fd);return 0;
}

数据报套接字(SOCK_DGRAM)

服务器端流程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>#define SOCKET_PATH "/tmp/unix_dgram_socket_example"int main() {int sockfd;struct sockaddr_un addr;char buffer[100];ssize_t num_bytes;struct sockaddr_un client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);// 1. 创建套接字sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd == -1) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 绑定套接字memset(&addr, 0, sizeof(addr));addr.sun_family = AF_UNIX;strncpy(addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);unlink(SOCKET_PATH);if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {perror("bind");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("服务器正在等待消息...\n");// 3. 接收消息memset(buffer, 0, sizeof(buffer));num_bytes = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0,(struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);if (num_bytes == -1) {perror("recvfrom");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("收到客户端消息: %s\n", buffer);// 4. 发送响应const char *response = "你好，客户端！";if (sendto(sockfd, response, strlen(response) + 1, 0,(struct sockaddr *)&client_addr, client_addr_len) == -1) {perror("sendto");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 5. 关闭套接字close(sockfd);unlink(SOCKET_PATH);return 0;
}

客户端流程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>#define SOCKET_PATH "/tmp/unix_dgram_socket_example"int main() {int sockfd;struct sockaddr_un server_addr;char buffer[100];ssize_t num_bytes;// 1. 创建套接字sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd == -1) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 设置服务器地址memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sun_family = AF_UNIX;strncpy(server_addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(server_addr.sun_path) - 1);// 3. 发送消息const char *message = "你好，服务器！";if (sendto(sockfd, message, strlen(message) + 1, 0,(struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("sendto");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 4. 接收响应memset(buffer, 0, sizeof(buffer));num_bytes = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL);if (num_bytes == -1) {perror("recvfrom");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("收到服务器响应: %s\n", buffer);// 5. 关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

sockaddr_un结构体

#include <sys/un.h>struct sockaddr_un {sa_family_t sun_family;  // 地址族，设置为AF_UNIXchar sun_path[108];      // 文件系统路径名
};

• sun_family：必须设置为AF_UNIX

• sun_path：最大长度108字节(包括终止符)，通常以/tmp/开头

注意事项

1. 使用UNIX域套接字前应调用unlink()确保路径可用
2. 通信完成后应删除套接字文件
3. 数据报套接字是无连接的，需在每次通信时指定地址
4. 流式套接字提供可靠的双向字节流通信