Linux下的网络编程

1. 目的

实现不同主机之间进程的通信。

2. 问题

主机之间在物理层面必须互联互通。
进程之间在软件层面必须互联互通。
- IP地址：计算机的软件地址，用于标识计算机设备。
- MAC地址：计算机的硬件地址（固定）。
- 网络的端口号：标记同一主机上的不同网络进程。

3. 网络协议

网络通信标准。

OSI七层模型（理论模型）：开放系统互连模型，是不同体系结构设备间网络通信的通信标准。
- 应用层：要传输的数据，如文件传输、电子邮件。
- 表示层：数据加密解密操作、压缩解压缩操作。
- 会话层：建立数据传输通道。
- 传输层：传输的方式，如UDP、TCP、端口号。
- 网络层：实现数据路由，如路由器、IP。
- 数据链路层：封装成帧、点对点通信（局域网内通信）、差错检测，如交换机。
- 物理层：定义物理设备标准、电气特性，如网线、光纤等传输介质，比特流（bit 0/1）。
TCP/IP模型（应用模型）：
- 五层：
  - 应用层：
    - HTTP：超文本（数据类型较多）传输协议。
    - HTTPS：超文本传输协议（SSL加密算法）。
    - FTP：文件传输协议（TCP传输）。
    - TFTP：简单文件传输协议（UDP传输）。
    - MQTT：消息队列遥测传输协议（广泛应用于物联网协议传输）。
    - DNS：域名解析服务（将一个域名转换为IP地址）。
  - 传输层：
    - TCP：传输控制协议（构建路径）。
    - UDP：用户数据报协议（传输时不构建路径，找效率高的，可能导致乱序；不安全，可能会导致丢包）。
  - 网络层：
    - IP协议：
      - IPv4。
      - IPv6。
  - 数据链路层：
    - ARP：地址解析协议（IP地址和MAC地址之间的转换）。
  - 物理层。
- 四层：
  - 应用层。
  - 传输层。
  - 网络层。
  - 网络接口层。

4. IP协议

网络层协议。

IPv4：32位（用ipconfig在Windows终端上查看）。
IPv6：128位。
IP地址 = 网络位 + 主机位，和子网掩码搭配使用，子网掩码全为1的是网络位，全为0的是主机位。
- 示例：192.168.0.121/24（24表示网络位的位数）。
- 网络位：标识该IP地址所在的网段（局域网）。
- 主机位：标识该网段中的具体主机。
- 网段号：如192.168.1.0（网络位保留，主机位为0）。
- 广播号：如192.168.1.255（网络位不变，主机位全为1）。
- 网关地址：如192.168.1.1（网络位保留，主机位为1）。
IP地址划分：
1. A类地址：
  - 范围：1.0.0.0 - 126.255.255.255。
  - 子网掩码：255.0.0.0。
  - 主机数量：2^24（大规模网络）。
  - 私有IP地址：10.0.0.0 - 10.255.255.255。
  - 回环地址：127.0.0.0。
2. B类地址：
  - 范围：128.0.0.0 - 191.255.255.255。
  - 子网掩码：255.255.0.0。
  - 主机数量：2^16（管理大中规模网络）。
  - 私有IP地址：172.16.0.0 - 172.31.255.255。
3. C类地址：
  - 范围：192.0.0.0 - 223.255.255.255。
  - 子网掩码：255.255.255.0。
  - 主机数量：2^8（管理中小规模网络）。
  - 私有IP地址：192.168.0.0 - 192.168.255.255。
4. D类地址：
  - 范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255（组播和广播使用）。
5. E类地址：
  - 范围：240.0.0.0 - 255.255.255.254（用于实验）。
共用IP：由电信公司直接分配，需要付费的IP地址，可以直接访问Internet。
私有IP：不能直接访问Internet的IP地址，由路由器转为共用IP。
这样可以节省IP地址。

5. 网络端口号

端口号：16位的整型数据（unsigned short），范围0 - 65535。
端口号功能：标记同一主机上的不同网络进程。
分类：

任何TCP/IP实现所提供的服务都用1 - 1023之间的端口号。
- HTTP：80。
- FTP：20/21。
- TFTP：69。
- HTTPS：443。
- MQTT：1883/8883。
端口号从1024 - 49151是被注册的端口号，被IANA指定为特殊（如MQTT：1883/8883）。
从49152 - 65535是动态或私有端口号。
数据包封装与解封过程

6. 网络配置

ping ip地址/域名：查看当前主机和IP/域名所对应的网络是否联通，例如ping www.baidu.com。
ifconfig：
- Linux上查看IP地址。
- Windows上使用ipconfig。
网络配置步骤：
1. 虚拟机->设置->网络适配器->桥接模式。
2. 编辑->虚拟网络编辑器->更改设置->VMnet0->桥接至->当前上网的网卡->应用。
3. 修改网络配置文件：
```
sudo vim /etc/network/interfaces
```
  内容改为：
```
auto lo
iface lo inet loopback
auto ens33
iface ens33 inet dhcp
```
4. 重启网络服务：
```
sudo /etc/init.d/networking restart
```
5. 测试：
```
ping www.baidu.com
```

7. 网络层-UDP

在传输层（用户数据报协议User Datagram Protocol）。

网络编程模型：
- B/S模型：browser（浏览器）/server（服务器）。
  - 客户端是一个通用的客户端（浏览器）。
  - 一般只做服务器开发。
  - 客户端要加载的数据均来自服务器。
- C/S模型：client（客户端）/server（服务端）。
  - 客户端是一个专用的客户端。
  - 服务器和客户端都需开发。
  - 客户端保存资源，本地加载，无需所有数据都请求服务器。
编程：
- 客户端：
  - socket()：创建通信的套接字（文件描述符，网络通信时应用层可操作的端口）。
  - sendto()：发送数据。
  - recvfrom()：接受数据。
  - close()：关闭套接字。
- 服务端：
  - socket()：创建通信的套接字。
  - bind()：绑定服务器的IP和端口。
  - sendto()：发送数据。
  - recvfrom()：接受数据。
  - close()：关闭套接字。
相关函数：
- socket()函数：
```
#include <sys/types.h>   /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
```
  - 功能：创建通信的套接字。
  - 参数：
    - domain：网络层使用的协议族，如AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）。
    - type：规定传输层的协议，如SOCK_DGRAM（UDP协议）、SOCK_STREAM（TCP协议）、SOCK_RAW（原始套接字）。
    - protocol：0（按照默认协议方式创建）。
  - 返回值：成功返回套接字，失败返回-1。
- sendto()函数：
```
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
```
  - 功能：向网络套接字发送数据。
  - 参数：
    - sockfd：套接字。
    - buf：要发送的数据的首地址。
    - len：要发送的字节数。
    - flags：0（按照默认方式发送）。
    - dest_addr：接收方的地址信息（IP+端口号）。
    - addrlen：接收方地址的大小。
  - 返回值：成功返回实际发送的字节数。

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);          主机转网络
uint16_t htons(uint16_t hostshort);         主机转网络
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);           网络转主机
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);          网络转主机

in_addr_t inet_addr(const char *cp);
功能:将字符串IP地址转换成二进制IP地址形式char *inet_ntoa(struct in_addr in);
功能：将二进制ip转换成字符串

网络字节序：大端                network
主机字节序：小端  50000   host

8.代码

UDP相关编程

客户端

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);//man 7 ip/创建套接字(网络类型；UDP；0)if(sockfd < 0){perror("socket error");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;//种类seraddr.sin_port = htons(50000);//端口号seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.179");//ip地址// while(1)// {//     ssize_t cnt = sendto(sockfd, "1111", 13, 0, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));//发送// }char buff[1024] = {0};while(1){fgets(buff,sizeof(buff),stdin);ssize_t cnt = sendto(sockfd, buff, strlen(buff), 0, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));//发送if(cnt < 0){perror("sendto error");return -1;}printf("cnt = %ld\n", cnt);}close(sockfd);//关闭return 0;
}

服务端

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sockfd < 0){perror("socket error");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(50000);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.192");int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");return -1;}char buff[1024] = {0};while(1){ssize_t cnt = recvfrom(sockfd, buff, sizeof(buff), 0, NULL, NULL);if(cnt < 0){perror("recvfrom error");return -1;}printf("cnt = %ld, buff = %s\n", cnt, buff);memset(buff, 0, sizeof(buff));}close(sockfd);return 0;
}