從零開始的嵌入式學習day33

網絡編程及相關概念
UDP網絡通信程序
UDP網絡通信操作
一、網絡編程及相關概念
1. 網絡編程概念：
? ? ? ? 指通過計算機網絡實現程序間通信的技術，涉及協議、套接字、數據傳輸等核心概念。常見的應用場景包括客戶端-服務器模型、分布式系統、實時通信等。

2.OSI模型概述及結構
? ? ? ? 1）概述：OSI（Open Systems Interconnection）模型是一種用于描述網絡通信過程的標準化框架，由國際標準化組織（ISO）于1984年提出。它將網絡通信劃分為7個層次，每一層負責特定的功能，并通過接口與相鄰層交互。

? ? ? ? 2）OSI模型的七層結構

? ? ? ? 物理層（Physical Layer）負責傳輸原始比特流，定義物理介質（如電纜、光纖）的電氣、機械特性。典型協議包括以太網、USB。

? ? ? ? 數據鏈路層（Data Link Layer）將比特流組織為幀（Frame），提供物理地址（MAC地址）和錯誤檢測。交換機在此層操作，協議如PPP、HDLC。

? ? ? ? 網絡層（Network Layer）負責路由選擇和數據包轉發，使用邏輯地址（如IP地址）。核心設備是路由器，協議包括IP、ICMP。

? ? ? ? 傳輸層（Transport Layer）確保端到端的可靠傳輸，提供流量控制和錯誤恢復。主要協議有TCP（可靠）和UDP（不可靠）。

? ? ? ?會話層（Session Layer） ?管理通信會話的建立、維護和終止，例如NetBIOS。

? ? ? ?表示層（Presentation Layer）處理數據格式轉換（如加密、壓縮），確保應用層可理解數據。例如SSL/TLS加密。

? ? ? ?應用層（Application Layer）直接為用戶應用提供服務，協議包括HTTP、FTP、SMTP。

3.TCP/IP模型概述及結構
? ? ? ? 1）概述：TCP/IP模型是互聯網通信的核心框架，由四層組成：網絡接口層、網絡層、傳輸層和應用層。它比OSI七層模型更簡潔，實際應用更廣泛。

? ? ? ? 2）TCP/IP模型的四層結構：

? ? ? ? 網絡接口層（Link Layer）負責物理傳輸，包括以太網、Wi-Fi等協議。數據以幀為單位傳輸，處理MAC地址和硬件交互。

? ? ? ? 網絡層（Internet Layer） 核心協議為IP（Internet Protocol），負責路由和邏輯尋址。關鍵協議包括：

IP：無連接的數據包傳輸
ICMP：錯誤報告和診斷（如ping）
ARP：IP地址到MAC地址的映射
? ? ? ? 傳輸層（Transport Layer）提供端到端通信，主要協議：TCP（可靠連接，三次握手建立連接）、UDP（無連接，低延遲）。

? ? ? ? 應用層（Application Layer）包含高層協議如HTTP、FTP、DNS等。數據單位為消息。

? ? ? ? 3）數據封裝過程：發送端自上而下封裝------接收端自下而上解封裝

應用數據添加應用層頭（如HTTP頭）
傳輸層添加TCP/UDP頭
網絡層添加IP頭
網絡接口層添加幀頭和尾

4.OSI模型與TCP/IP模型對比
TCP/IP層OSI層
應用層應用層+表示層+會話層
傳輸層傳輸層
網絡層網絡層
網絡接口層數據鏈路層+物理層

實際應用要點
IP地址分為IPv4（32位）和IPv6（128位）
端口號范圍：0-65535（系統端口：0-1023）
MTU（最大傳輸單元）影響數據分片
路由選擇通過路由表實現
該模型的設計強調端到端原則，將復雜性放在網絡邊緣，核心網絡保持簡單高效。

5.DNS域名解析原理
? ? ? ? DNS（Domain Name System）將人類可讀的域名（如example.com）轉換為機器可讀的IP地址（如93.184.216.34）。解析過程遵循分層查詢機制：

? ? ? ? 1）遞歸查詢：用戶設備向遞歸DNS服務器（如ISP提供的服務器）發起請求，由遞歸服務器完成后續查詢并返回最終結果。
? ? ? ? 2）迭代查詢：遞歸服務器依次向根域名服務器、頂級域（TLD）服務器和權威域名服務器查詢，最終獲取目標IP。

6.DHCP概述及工作原理
? ? ? ? 1）概述：DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一種網絡協議，用于自動分配 IP 地址、子網掩碼、默認網關和其他網絡配置參數給客戶端設備。它簡化了網絡管理，避免了手動配置 IP 地址的繁瑣和錯誤。

? ? ? ? 2）DHCP工作原理：DHCP 使用客戶端-服務器模型，工作流程分為四個階段（DHCPDISCOVER、DHCPOFFER、DHCPREQUEST、DHCPACK）：

DHCPDISCOVER：客戶端廣播請求 IP 地址配置。

DHCPOFFER：服務器響應并提供可用 IP 地址。

DHCPREQUEST：客戶端確認選擇服務器提供的配置。

DHCPACK：服務器最終確認分配 IP 地址。

7.IPv4地址分類

????????IPv4地址通常分為A、B、C、D、E五類，主要依據網絡號和主機號的劃分方式：

  1. A類地址：
  • 范圍：1.0.0.0?到?126.255.255.255
  • 第一字節為網絡號，后三個字節為主機號。
  • 子網掩碼：255.0.0.0
  • 適用于大型網絡，如國際組織或大型企業。

?2.B類地址：

  • 范圍：128.0.0.0?到?191.255.255.255
  • 前兩個字節為網絡號，后兩個字節為主機號。
  • 子網掩碼：255.255.0.0
  • 適用于中型網絡，如大學或中型企業。

?3.C類地址：

  • 范圍：192.0.0.0?到?223.255.255.255
  • 前三個字節為網絡號，最后一個字節為主機號。
  • 子網掩碼：255.255.255.0
  • 適用于小型網絡，如家庭或小型辦公室。

?? 4.D類地址：

  • 范圍：224.0.0.0?到?239.255.255.255（網絡號+最大主機號）
  • 用于組播（Multicast）通信，不劃分網絡號和主機號。
  • 主要用于視頻流、在線會議等一對多的通信場景。

?? ? 5.E類地址：

  • 范圍：240.0.0.0?到?255.255.255.255
  • 保留用于實驗和研究，不用于常規網絡通信。

8.單機上網配置
? ? ? ? 1、有網絡接口并插入網線。
? ? ? ? 2、有ip地址
? ? ? ? 3、配置網絡設置

ip: ifconfig ethX X.X.X.X/24 up ?ifconfig ens33 192.168.0.13/24 up ?255.255.255.0
網關： route add default gw x.x.x.x?
DNS： ?vi /etc/resolv.conf ?==>nameserver 8.8.8.8
測試：ping www.baidu.com ?

netstat ?-anp：查看網絡連接狀態

網絡接口：
? ? ? ? 1、socket ?套接字 ==》BSD socket ==》用于網絡通信的一組接口函數。

? ? ? ? ? ? ? ? socket api ?application interface
? ? ? ? 2、ip+port 地址+端口===》地址用來識別主機、端口用來識別應用程序。
? ? ? ? ? ? ? ? ? port分為TCP port / UDP port ?范圍都是： 1-65535，約定1000 以內的端口為系統使用。

網絡字節序 ：大端存儲

用htons函數 把端號轉為大端。

用inet addr 函數把IP地址轉為大端。

9.私有IP地址和公有IP地址

? ? ? ? 1）私有IP：用于局域網內部通信，不直接暴露在互聯網上。

范圍包括：
A類：10.0.0.0 到 10.255.255.255
B類：172.16.0.0 到 172.31.255.255
C類：192.168.0.0 到 192.168.255.255
通常通過NAT（網絡地址轉換）與公網通信。

? 2）公有IP：用于互聯網通信，全球唯一。

????????除私有IP和特殊保留地址外的其他IPv4地址

二、UDP網絡通信程序
1.UDP概述
? ? ? ? UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）是一種無連接的傳輸層協議，提供簡單的、不可靠的數據傳輸服務。與 TCP 不同，UDP 不保證數據包的順序、可靠性或流量控制，但具有低延遲和高效率的特點。

2.UDP特征
無連接：通信前無需建立連接，直接發送數據。
不可靠：不保證數據包是否到達目的地，也不保證順序。
高效：頭部開銷小（僅 8 字節），適合對延遲敏感的應用。
支持廣播和多播：可以同時向多個目標發送數據。
3.UDP頭部結構
? ? ? ? ?UDP 頭部包含 4 個字段，每個字段 2 字節：

? ? ? ? 1）源端口（Source Port）：發送方端口號（可選，可設為 0）。

? ? ? ? 2）目標端口（Destination Port）：接收方端口號。

? ? ? ? 3）長度（Length）：UDP 頭部加數據的總長度（最小為 8）。

? ? ? ? 4）校驗和（Checksum）：用于錯誤檢測（可選，IPv6 必須校驗）。

4.UDP適用場景：
實時應用：如視頻流、語音通話（VoIP）、在線游戲。
DNS 查詢：快速響應比可靠性更重要。
廣播/多播：如 DHCP、網絡發現協議。
簡單請求-響應：如 SNMP、TFTP。
5.UDP與TCP對比：
特性?? ?UDP?? ?TCP
連接方式?? ?無連接?? ?面向連接
可靠性?? ?不可靠?? ?可靠（重傳、確認機制）
流量控制?? ?無?? ?有（滑動窗口）
順序保障?? ?不保證?? ?保證
頭部大小?? ?8 字節?? ?20 字節
適用場景?? ?實時、低延遲應用?? ?文件傳輸、網頁瀏覽
UDP 的局限性：
無擁塞控制：可能引發網絡擁塞。
數據包丟失：不適合需要高可靠性的場景。
安全性：容易受到 DDOS 攻擊（如 UDP 洪水攻擊）。

三、UDP網絡通信操作

1.socket（）：創建套接字，返回文件描述符。

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

? ? ? ? 參數：domain：協議族（如AF_INET IPv4，AF_INET6 IPv6）。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 參數：PF_INET == AF_INET ==>互聯網程序
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? PF_UNIX == AF_UNIX ==>單機程序

? ? ? ? ? ? ? ? type：套接字類型（如SOCK_STREAM TCP，SOCK_DGRAM UDP）。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?SOCK_STREAM ?流式套接字 ===》TCP ??
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? SOCK_DGRAM ? 用戶數據報套接字===>UDP
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? SOCK_RAW ? ? 原始套接字 ?===》IP
? ? ? ? ? ? ? ? protocol 協議 ==》0 表示自動適應應用層協議。通常為0，自動匹配。

2.bind（）：將套接字綁定到特定IP和端口。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

? ? ? ? 參數：

sockfd：socket()返回的文件描述符。
addr：指向sockaddr結構的指針（需轉換為struct sockaddr_in或sockaddr_in6）。
struct sockaddr ? ? ?通用地址結構
? {
? u_short sa_family; ?地址族
? char sa_data[14]; ? 地址信息
? };

轉換成網絡地址結構如下：
? struct _sockaddr_in ? ?///網絡地址結構
? {
? u_short ? ?sin_family; 地址族
? u_short ? ?sin_port; ? ///地址端口
? struct in_addr ?sin_addr; ? ///地址IP
? char ? ?sin_zero[8]; 占位
? };

addrlen：地址結構長度。
? ? ? ? 注意：如果是客戶端，則該函數省略，由默認接口發送數據。

3.recvfrom（）：用于從套接字接收數據的系統調用，常用于無連接協議（如UDP）。與recv不同，recvfrom可以獲取發送端的地址信息。

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
? ? ? ? ? ? ? ? ?struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

? ? ? ? 參數：

sockfd: 套接字描述符
buf: 接收數據的緩沖區指針
len: 緩沖區長度
flags: 控制標志（常用值如MSG_WAITALL、MSG_DONTWAIT）
src_addr: 發送方地址結構體指針（可為NULL）
addrlen: 地址結構體長度指針（輸入輸出參數）
? ? ? ? 返回值：

成功時返回接收的字節數
失敗返回-1并設置errno
連接關閉時返回0
4.sendto（）：用于發送數據的系統調用，用于無連接協議（UDP）或需要指定目標地址的場景。它允許直接向特定目標發送數據而不需要預先建立連接。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
? ? ? ? ? ? ? ?const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

? ? ? ? 參數：

sockfd: 已創建的套接字文件描述符
buf: 指向包含待發送數據的緩沖區
len: 要發送的數據長度（字節數）
flags: 控制發送行為的標志位（通常為0）
dest_addr: 指向目標地址結構體的指針
addrlen: 目標地址結構體的長度
? ? ? ? 返回值：成功時返回發送的字節數，失敗返回-1并設置errno。

示例：用UDP完成現在實時聊天

服務器端：

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <time.h>
#include <unistd.h>
typedef struct sockaddr *(SA);
int main(int argc, char *argv[]) {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd) {perror("socket");return 1;}struct sockaddr_in ser, cli; // client  man 7 ipbzero(&ser, sizeof(ser));bzero(&cli, sizeof(cli));ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(50000);             // host to net shortser.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 小端轉大端  本地回環  127int ret = bind(sockfd, (SA)&ser, sizeof(ser));if (-1 == ret) {perror("bind");return 1;}socklen_t len = sizeof(cli);char buf[256] = {0};recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (SA)&cli, &len);pid_t pid = fork();if (pid > 0) {while (1) {char buf[256] = {0};recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (SA)&cli, &len);if (0 == strcmp(buf, "#quit\n")) {kill(pid, 9);exit(0);}printf("cli:%s", buf);fflush(stdout);}} else if (0 == pid) {while (1) {char buf[256] = {0};printf("to cli:");fgets(buf, sizeof(buf), stdin);sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&cli, sizeof(cli));if (0 == strcmp(buf, "#quit\n")) {kill(getppid(), 9);exit(0);}}} else {perror("fork");return 1;}return 0;
}

客戶端：?

?

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <time.h>
#include <unistd.h>
typedef struct sockaddr *(SA);
int main(int argc, char *argv[]) {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (-1 == sockfd) {perror("socket");return 1;}struct sockaddr_in ser, cli; // client  man 7 ipbzero(&ser, sizeof(ser));bzero(&cli, sizeof(cli));ser.sin_family = AF_INET;ser.sin_port = htons(50000);                      // host to net shortser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.165"); // 小端轉大端socklen_t len = sizeof(cli);char buf[256] = {0};strcpy(buf, "start");sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&ser, sizeof(ser));pid_t pid = fork();if (pid > 0) {while (1) {char buf[256] = {0};recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);if (0 == strcmp(buf, "#quit\n")) {kill(pid, 9);exit(0);}printf("ser:%s", buf);fflush(stdout);}} else if (0 == pid) {while (1) {char buf[256] = {0};printf("to ser:");fgets(buf, sizeof(buf), stdin);sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&ser, sizeof(ser));if (0 == strcmp(buf, "#quit\n")) {kill(getppid(), 9);exit(0);}}} else {perror("fork");return 1;}close(sockfd);return 0;
}

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