【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: 000
B: 100
C: 110
D: 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
192.168.30.100/255.255.255.0
192.168.30.100/24
前缀长度：24
3>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
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：
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
双方通信需要保证协议一致
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/UDP
TCP：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ID
ARP 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
发送端 数据打包
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
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 ~ 65535
1 ~ 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
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s
MSN/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ACK
3.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
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();
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/* -rn
vim /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ctags
sudo apt-get install ctags
2》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 -R
4》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_xxx
char 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 bytes
u_short sin_port; // 端口，2 bytes
struct 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 1024
int 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 1024
int 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！
以上。仅供学习与分享交流，请勿用于商业用途！转载需提前说明。
我是一个十分热爱技术的程序员，希望这篇文章能够对您有帮助，也希望认识更多热爱程序开发的小伙伴。
感谢！