【网络编程】网络编程基础：TCP/UDP 协议

一、什么是网络？

网络是信息传输，接收和共享的虚拟世界，通过把网络上的信息汇聚在一起，将这些资源进行共享。

初衷：知识共享。这里不得不提到Internet 的历史－它其实是“冷战”的产物：

1957年10月和11月，前苏联先后有两颗“Sputnik”卫星上天。
1958年美国总统艾森豪威尔向美国国会提出建立DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)，即国防部高级研究计划署，简称ARPA。
1968年6月DARPA提出“资源共享计算机网络” (Resource Sharing Computer Networks)，目的在于让DARPA的所有电脑互连起来，这个网络就叫做ARPAnet，即“阿帕网”，是 Interne 的最早雏形。

二、计算机中的软件层面，网络是由什么组成的？

1>IP//定义IP地址是一种因特网上的主机编址方式，也称为网际协议地址IP，是任意一台主机在网络中的唯一标识。//格式点分十进制：用户编写，给人看的 192.168.30.100网络二进制：给系统看的 0 1//分类IPv4:（主要集中在电脑）点分十进制：4个字节网络二进制：32个位（42亿个IP地址）由网络地址（子网ID）和主机地址（主机ID）构成IPv6：（主要用在手机WiFi，目前电脑上用得不多）点分十进制：16个字节网络二进制：128个位IPv4地址分类：A/B/C/D/E分别应用于大型网、中型网、中小型网、组播型、待用型//A类地址：政府机关或者学校等大型网络#规则：以0开头，8位的网络地址（子网ID），24位的主机地址（主机ID）网络二进制：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 - 0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110点分十进制：                                0.0.0.1 - 127.255.255.254//B类地址：中等规模的企业使用#规则：以10开头，16位的网络地址（子网ID），16位的主机地址（主机ID）网络二进制：1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 - 1011 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110点分十进制：                              128.0.0.1 - 191.255.255.254//C类地址：任意个人使用	*#规则：以110开头，24位的网络地址（子网ID），8位的主机地址（主机ID）网络二进制：1100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 - 1101 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110点分十进制：                              192.0.0.1 - 223.255.255.254//D类地址(组播地址)：4个字节都是网络地址	*#规则：以1110开头，32位的网络地址（子网ID），0位的主机地址（主机ID）网络二进制：1110 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 - 1110 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110点分十进制：                              224.0.0.1 - 239.255.255.254//E类地址：未使用的地址 -- 测试地址#规则：以11110开头，留着待用前三位：判断类别A: 000B: 100C: 110D: 111注意：有两个地址不能使用/**主机地址（主机ID）全为0，它是网段号、网络号主机地址（主机ID）全为1，它是广播地址**/端口号：标识计算机上的进程取值范围： 0~2^16 -1//特点网络地址不同的网络不能直接通信，如果要通信须通过路由器进行转发2>子网掩码//定义子网掩码又叫网络掩码、地址掩码，是一个32位由1和0组成的数值，并且1和0都是连续//作用指明IP地址中哪些位表示为子网ID，哪些位表示为主机ID//特点必须结合IP地址一起使用，不能单独存在IP地址中由子网掩码中1覆盖的连续位为子网ID,其余为主机ID//以C类地址为例192.168.30.100/255.255.255.0192.168.30.100/24前缀长度：243>网关用来管理当前网段下的信息传输、网络的门户，默认取值为1，192.168.30.1，随机取值（1 - 254）4>DNS域名解析器DNS的作用类似于电话簿，将域名和IP地址相对应，使得用户可以通过域名来访问网站，不要记忆复杂的IP地址www.baidu.com  -  183.2.172.42

网关与网段

三、网络体系结构

网络采用分而治之的方法设计，将网络的功能划分为不同的模块，以分层的形式有机组合在一起。每层实现不同的功能，其内部实现方法对外部其他层次来说是透明的。每层向上层提供服务，同时使用下层提供的服务。网络体系结构即指 网络的层次结构和每层所使用协议的集合。

两类非常重要的体系结构：OSI 与 TCP/IP

OSI开放系统互联模型

OSI模型相关的协议已经很少使用，但模型本身非常通用；OSI模型是一个理想化的模型，尚未有完整的实现，OSI模型共有七层：

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1>OSI七层模型应用层              应用程序：FTP、E-mail、Telnet----------------------表示层              数据格式定义、数据转换/加密----------------------会话层              建立通信进程的逻辑名字与物理名字之间的联系 ----------------------传输层              差错处理/恢复，流量控制，提供可靠的数据传输----------------------网络层              数据分组、路由选择----------------------链路层              数据组成可发送、接收的帧----------------------物理层              传输物理信号、接口、信号形式、速率目的：将数据封装，形成一个约定好的通信协议协议：双方约定好的通信规则缺点：太复杂，太过理想化，有些层的功能重复

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双方通信需要保证协议一致

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2>TCP/IP协议族的体系结构重点学习的体系结构，网络协议中的世界语、标准语应用层              应用程序：FTP、E-mail、Telnet -- http(超文本传输协议) DNS POP3(邮件接收协议) STMP(邮件发送协议)----------------------传输层              TCP/UDP -- 确定数据包交给主机上的那个进程----------------------网络层              IP/ICMP/IGMP----------------------网络接口和物理层         网卡驱动和物理接口/**传输层：TCP/UDPTCP：微信视频电话 --- 保证对方接了之后才能通信 -- 文件传输、聊天UDP：微信发消息 --- 只管发，不管对方有无接收 -- 视屏传输网络层:IP:主机的唯一标识ICMP：网络控制消息协议，用于ping命令的实现IGMP：网络组管理协议，用于广播、组播的实现             **//**网络接口和物理层:网卡：让不同的计算机之间连接，从而实现数据的通信等功能（有线网卡和无线网卡）mac(物理地址)：网卡的标识号（48位），类似于身份证号，理论上全球唯一物理地址：  00:0c:29:14:84:69      前三组称为厂商ID，后三组为设备IDARP            将IP地址转换为MAC地址 RARP           将MAC地址转换为IP地址     **/3>数据的封装与传递过程见 数据的封装与传递过程(如下图所示)封装的目的：保证数据稳定可靠地传输

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发送端数据打包

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接收端数据解包

数据传输过程：

层层封装 ---> 层层解封["疯狂星期四Vme50"] ---> 应用层[TCP/UDP 头]["疯狂星期四Vme50"] ---> 传输层[IP 头][TCP/UDP 头]["疯狂星期四Vme50"] ---> 网络层[ARP 头][IP 头][TCP/UDP 头]["疯狂星期四Vme50"] ---> 物理接口层|将打包好的数据发送出去数据在网络中都是以帧的形式发送  [ARP 头][IP 头][TCP/UDP 头]["疯狂星期四Vme50"] -- 1帧数据[IP 头][TCP/UDP 头]["疯狂星期四Vme50"]  -- 最大 1500个 字节

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TCP/IP 协议下的数据包：

4>端口号类似于PID表示一个进程，区分不同的网络应用程序例如：QQ 4399  微信 17173无符号短整型 unsigned short 2个字节 0 ~ 655351 ~ 1023        系统进程使用1024 ~ 5000     系统分配的端口5001 ~ 65535    用户自己分配使用的问：为什么有进程PID了，还要搞一个端口号来区分不同的应用程序？答：根据进程运行被分配的进程号不固定，但想以固定的序号去访问指定的应用程序，便有了端口号5>大小端序不同类型CPU主机中，内存存储的整数字节序分为以下两种：小端序(little-endian)低位字节存储在低位地址         linux,x86平台大端序(big-endian)低位字节存储在高位地址         网络字节序//用于大小端序转换的工具函数#include <arpa/inet.h>//主机字节序转换为网络字节序（小端序转换为大端序）uint32_t htonl(uint32_t hostlong);uint16_t htons(uint16_t hostshort);//网络字节序转换为主机字节序（大端序转换为小端序）uint32_t ntohl(uint32_t netlong);uint16_t ntohs(uint16_t netshort);6>网络通信模型：C/S : 服务器 + 客户端B/S : 网页端 http https

如果把网络数据包的投递过程看成是给远方的一位朋友寄一封信，那么： IP地址就是这位朋友的所在位置，如上海交大XX系，邮局依靠此信息进行信件的投递，网络数据则依靠IP地址信息进行路由，端口号就是这位朋友的名字，传达室依靠这个信息最终把这封信交付给这位收信者，数据包则依靠端口号送达给接收进程。

四、TCP/UDP的特点和区别

都采用经典的C/S模型，即客户端（client）服务器（server）模型。
不同点：TCP：有连接，可靠；UDP：无连接，不保证可靠。

1》TCP: 面向链接的可靠协议 -- 1对1私聊//定义是一种面向连接的传输层协议，它能提供高可靠性通信(即数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信)借助于C/S模型搭建TCP通信：服务器(while(1))										客户端1>建立socket连接 -- 买手机							1> 建立socket连接 -- 买手机2>绑定IP和端口号 -- 办电话卡							2> 连接服务器	3>监听			-- 开机								3> 收/发	4>等待连接		-- 等别人打电话						5>收/发 			 	//功能提供不同主机上的进程通信//特点1.建立连接->使用连接->释放连接2.TCP数据包中包含序号和确认序号3.对包进行排序并排错，而损坏的包可以被重传//适用情况：适合于对传输质量要求较高，以及传输大量数据的通信。在需要可靠数据传输的场合，通常使用TCP协议sMSN/QQ等即时通讯软件的用户登录账户管理相关的功能通常采用TCP协议/**********************************************************************TCP的建立连接和断开连接标识符：ACK:确认标识符FIN:断开标识符SYN:请求标识符 -- 请求服务器连接URG:紧急标识符PSH:推标识TCP的三次握手：        (如何打通电话)1.客户端给服务器发送SYN连接请求2.服务器回复ACK,并给客户端发送连接请求3.客户端回复ACK    TCP的四次挥手：        (如何挂断电话)1.客户端给服务器发送FIN请求2.服务器回复ACK3.服务器给客户端发送FIN请求4.客户端回复请求ACK                                  **********************************************************************/
2》UDP//定义是不可靠的无连接的协议。在数据发送前，因为不需要进行连接，所以可以进行高效率的数据传输。//功能提供不同主机上的进程通信//特点1.发送数据之前不需要建立连接2.不对数据包的顺序进行检查3.没有错误检测和重传机制//适用情况发送小尺寸数据（如对DNS服务器进行IP地址查询时）在接收到数据，给出应答较困难的网络中使用UDP。（如：无线网络）适合于广播/组播式通信中。MSN/QQ/Skype等即时通讯软件的点对点文本通讯以及音视频通讯通常采用UDP协议流媒体、VOD、VoIP、IPTV等网络多媒体服务中通常采用UDP方式进行实时数据传输

TCP传输

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TCP协议的三次握手
TCP协议的四次挥手

五、基于TCP协议的网络通信模型

1》框架
/**框架**/服务器（server）                                     客户端（client）1.创建流式套接字：socket();|
2.绑定本地地址：bind();|
3.设置监听套接字：listen();                          1.创建流式套接字：socket();|                                                      |
4.等待客户端连接：accept();                          2.发送连接请求：connect();|                                                      |
5.开始和客户端通信：read()/recv();                   3.与服务器通信：write()/send();|                                                      |
6.断开连接：close();                                 4.发送断开请求：close();

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2》TCP编程相关的API函数1>socket创建套接字#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);/**********************************************************************@brief:     创建一个特殊的文件描述符(具有网络属性)@domain：   地址族AF_UNIX, AF_LOCAL   用于本地进程间通信，域通信AF_INET             IPv4 Internet protocols         AF_INET6            IPv6 Internet protocols  @type：     SOCK_STREAM   // 流式套接字SOCK_DGRAM    // 数据报套接字SOCK_RAW      //  原始套接字@protocol:  一般默认设置为0，表示前面两个参数有效@retval:    成功：返回具有网络属性的文件描述符失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************/2>connect主动连接服务器(绑定IP和端口号)bind()#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);/**********************************************************************@brief:     主动连接服务器@sockfd：   客户端的唯一文件描述符@addr：     声明服务器的结构体指针@addrlen:   结构体的长度@retval:    成功：返回0失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************//**********************************************************************************grep查询struct sockaddr{}的具体实现grep struct\ sockaddr\ { /usr/src/linux-headers-5.4.0-150-generic/include/* -rnvim /usr/src/linux-headers-5.4.0-150-generic/include/linux/socket.h +31=================================================================================ctags查询struct sockaddr{}的具体实现1》安装ctagssudo apt-get install ctags2》去到头文件所在的目录cd /usr/src/linux-headers-5.4.0-150-generic/include/3》生产ctags标签sudo ctags -R4》查询vim -t 类(例如：sockaddr)=================================================================================locate 文件名 用于查询该文件所在路径**********************************************************************/#通用地址结构struct sockaddr {sa_family_t     sa_family;      /* address family, AF_xxx       */	//地址族 --> ip地址char            sa_data[14];    /* 14 bytes of protocol address */	//IP + 端口号}; struct sockaddr{    u_short  sa_family;    // 地址族, AF_xxxchar  sa_data[14];     // 14字节协议地址};// 该结构体不适用： 1>IP + Prot = 6 个字节，sa_data有14个字节，多的字节没法填充//				   2>无法判断IP在前面还是Prot在前面/*问题：1.IP地址和端口号谁在前谁在后？2.IP地址和端口号总共占6个字节，多出来的8个字节怎么处理？*/#Internet协议地址结构struct sockaddr_in {__kernel_sa_family_t  sin_family;     /* Address family               */__be16                sin_port;       /* Port number                  */struct in_addr        sin_addr;       /* Internet address             *//* Pad to size of `struct sockaddr'. */unsigned char         __pad[__SOCK_SIZE__ - sizeof(short int) -sizeof(unsigned short int) - sizeof(struct in_addr)];}; struct sockaddr_in {           u_short sin_family;      // 地址族, AF_INET，2 bytesu_short sin_port;      // 端口，2 bytesstruct in_addr sin_addr;  // IPV4地址，4 bytes 	char sin_zero[8];        // 8 bytes unused，作为填充}; // internet address  struct in_addr{in_addr_t  s_addr;            // u32 network address };/**点分十进制和网络二进制的相互转换函数**/ in_addr_t inet_addr(const char *cp);/**********************************************************************@brief:     点分十进制转换为网络二进制@cp：       字符串点分十进制@retval:    成功：返回网络二进制数失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************/char *inet_ntoa(struct in_addr in);/**********************************************************************@brief:     网络二进制转换为点分十进制@cp：       网络二进制的结构体变量@retval:    成功：返回字符串点分十进制失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************/3>send发送#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);/**********************************************************************@brief:     发送数据@sockfd：   套接字文件描述符@buf：      发送数据的容器@len：      buf的长度（用strlen）@flags：    一般为0@retval:    成功：返回实际发送的字节数失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************/4>close关闭#include <unistd.h>int close(int fd);5>recv接收#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);/**********************************************************************@brief:     接收数据@sockfd：   套接字文件描述符，注意如果是服务器应使用accept对应的套接字@buf：      接收数据的容器@len：      buf的长度（用sizeof）@flags：    一般为0@retval:    成功：返回实际接收的字节数0：异常退出失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************/6>bind绑定       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);/**********************************************************************@brief:     将IP地址和端口号与套接字绑定在一起@sockfd：   套接字文件描述符@addr：     服务器的地址信息的结构体指针@addrlen：  结构体的长度@retval:    成功：返回0失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************/7>listen监听 #include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);/**********************************************************************@brief:     保护服务器，限制同一时间客户端最大的连接数量@sockfd：   套接字文件描述符@backlog：  同一时间最大连接数量@retval:    成功：返回实际发送的字节数失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************/8>accept等待客户端的连接#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);/**********************************************************************@brief:     等待客户端连接（阻塞）@sockfd：   套接字文件描述符@addr：     客户端的结构体指针@addrlen：  结构体的长度的指针@retval:    成功：返回与客户端进行连接通信的文件描述符失败：返回-1，并且设置全局错误码**********************************************************************/

基于 TCP协议的服务器-客户端通信模型的 C 语言代码示例

该代码实现了基本的网络通信框架，其中服务器监听客户端连接，接受连接后进行数据收发，客户端与服务器建立连接并进行数据交换。

TCP 服务器端代码（server.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define PORT 8080  // 服务器监听端口
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int addrlen = sizeof(address);char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};// 1. 创建流式套接字if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("Socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 绑定本地地址address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(PORT);if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("Bind failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 设置监听套接字if (listen(server_fd, 3) < 0) {perror("Listen failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d...\n", PORT);// 4. 等待客户端连接if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {perror("Accept failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Client connected!\n");// 5. 开始和客户端通信while (1) {memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);int bytes_read = read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);if (bytes_read <= 0) {printf("Client disconnected.\n");break;}printf("Received: %s\n", buffer);// 发送回复char *message = "Message received.";send(new_socket, message, strlen(message), 0);}// 6. 断开连接close(new_socket);close(server_fd);return 0;
}

TCP 客户端代码（client.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define SERVER_IP "127.0.0.1"  // 服务器地址
#define PORT 8080              // 服务器端口
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sock;struct sockaddr_in serv_addr;char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};// 1. 创建流式套接字if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror("Socket creation error");exit(EXIT_FAILURE);}serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(PORT);// 2. 设置服务器地址if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) {perror("Invalid address / Address not supported");close(sock);exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 发送连接请求if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {perror("Connection failed");close(sock);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Connected to server.\n");// 4. 与服务器通信while (1) {printf("Enter message: ");fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);buffer[strcspn(buffer, "\n")] = 0;  // 去掉换行符send(sock, buffer, strlen(buffer), 0);memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);int bytes_read = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);if (bytes_read <= 0) {printf("Server disconnected.\n");break;}printf("Server: %s\n", buffer);}// 5. 发送断开请求close(sock);return 0;
}

运行步骤

编译代码

gcc server.c -o server
gcc client.c -o client

启动服务器

./server

启动客户端

./client

在客户端发送消息
客户端输入消息后，服务器会接收到并回复 Message received.

该代码实现了基于 TCP 协议的网络通信模型：

服务器：socket() 创建套接字bind() 绑定 IP 和端口listen() 监听连接accept() 接受客户端连接read()/send() 进行数据通信close() 断开连接
客户端：socket() 创建套接字connect() 连接服务器send()/read() 进行数据通信close() 断开连接

综上。希望该内容能对你有帮助，感谢！

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