1. 學習目的

實現 不同主機之間的進程間通信。

在 Linux 下，進程間通信（IPC）不僅可以發生在同一臺主機上，也可以通過網絡實現不同主機之間的通信。要做到這一點，必須同時滿足以下兩個條件：

1. 物理層面：不同主機之間必須通過物理網絡互聯互通（如網線、交換機、路由器等）。

2. 軟件層面：進程之間必須通過網絡協議進行通信。

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2. 基礎概念

• IP 地址
  計算機的“軟件地址”，用來標識計算機設備

• MAC 地址
  計算機網卡的“硬件地址”，唯一且固定。

• 端口號
  用來區分同一主機上的不同進程，保證多個網絡服務可以同時運行。

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3. 網絡協議

網絡通信需要遵循統一的標準，即 網絡協議。

3.1 OSI 七層模型（理論模型）

OSI（Open System Interconnect）是一個通信標準框架，分為 7 層：

1. 應用層：提供應用服務（如文件傳輸、電子郵件）。

2. 表示層：數據加密/解密，壓縮/解壓縮。

3. 會話層：建立數據傳輸通道, ? ---》會話

4. 傳輸層：提供端到端的傳輸服務（傳輸的方式 ?UDP ?TCP ? 端口號）。

5. 網絡層：實現數據路由，路徑規劃 ? ?路由器 ?ip。

6. 數據鏈路層：封裝成幀，點對點通信（局域網內通信），差錯檢測 ? 交換機 ?ARP。

7. 物理層：定義物理介質（網線、光纖），傳輸比特流（0/1）。

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3.2 TCP/IP 模型（應用模型）

相比 OSI 七層，TCP/IP 模型更貼近實際應用。

五層模型

1. 應用層：

   • HTTP：超文本傳輸協議

   • HTTPS：加密的 HTTP（SSL加密算法）

   • FTP：文件傳輸協議（TCP）

   • TFTP：簡單文件傳輸協議（UDP）

   • MQTT：物聯網協議

   • DNS：域名解析服務

2. 傳輸層：

   • TCP（傳輸控制協議，可靠，面向連接）

   • UDP（用戶數據報協議，不可靠，面向無連接）

3. 網絡層：

   • IP 協議（IPv4 / IPv6）

4. 數據鏈路層：

   • ARP（地址解析協議）

5. 物理層

四層模型

1. 應用層

2. 傳輸層

3. 網絡層

4. 網絡接口層

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4. IP 協議

• IPv4：32 位地址

• IPv6：128 位地址

4.1 表示方式

• 點分十進制：192.168.1.140? (用戶表示形式) ? 點分十進制 ??

• 二進制存儲：11000000 10101000 00000000 10001100? ?(計算機存儲形式) 32bits

4.2 IP 地址組成

IP地址 = 網絡位 + 主機位

例：192.168.0.121/24

• /24：網絡位長度 24 位

• 網絡位：表示屬于哪個網段

• 主機位：表示網段中(局域網)的哪一臺主機

4.3 子網掩碼

例：255.255.255.0

• 11111111.11111111.11111111.00000000
  用來區分IP地址的網絡位和主機位，搭配IP地址使用。
  子網掩碼是1的部分對應IP地址的網絡位
  子網掩碼是0的部分對應IP地址的主機位

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4.4 特殊地址

??? ? ? ? ? ? IP地址網絡位不變,主機位全為0,則為該IP地址的網段號
192.168.1.3
255.255.0.0
192.168.0.0
位于
192.168.1.0 網段內(網段內的IP能直接通信)

? ? ? ? ? ? ???192.168.1.255
IP地址網絡位不變,主機位全為1,則為該IP地址的廣播號
192.168.1.3
255.255.255.0
廣播號:
192.168.1.255(向廣播號發送信息,所有局域網內IP都能收到此信息)

• 網段號：主機位全為 0

• 廣播號：主機位全為 1，局域網內所有主機都能收到

• 網關地址：通常為 xxx.xxx.xxx.1，用于不同網段間通信

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4.5 IP 地址分類

1. A 類地址

   • 范圍:1.0.0.0 - 126.255.255.255
     子網掩碼:255.0.0.0 ? ? ? ? ?126*2^24 ? ? ? ?
     用于管理大規模網絡
     
     私有IP地址:10.0.0.0 - 10.255.255.255
     
     127.0.0.0 ? 回環地址

2. B 類地址

   • 范圍:128.0.0.0 - 191.255.255.255
     子網掩碼:255.255.0.0 ? ? ? ? 2^16
     管理大中規模網絡
     
     私有IP地址:172.16.0.0 - 172.31.255.255

3. C 類地址

   • 范圍:192.0.0.0 - 223.255.255.255
     子網掩碼:255.255.255.0 ? ? ? ?2^8
     管理中小規模網絡
     
     私有IP地址:192.168.0.0 - 192.168.255.255

4. D 類地址

   • 224.0.0.0 - 239.255.255.255
     組播和廣播使用

5. E 類地址

   • 240.0.0.0 - 255.255.255.254
     用來進行實驗

? ? ? ?公有IP：由電信公司直接分配，并需要付費的IP地址， 可以直接訪問internet
私有IP：不能直接訪問internet的ip地址

節省ip地址

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5. 網絡端口號

• 端口號：16 位無符號整數（0 - 65535）

• 功能：區分同一主機上的不同網絡進程

分類

1. 系統端口（0-1023）

   • HTTP：80

   • FTP：20/21

   • TFTP：69

   • HTTPS：443

2. 注冊端口（1024-49151）

   • MQTT：1883 / 8883

3. 動態端口（49152-65535）

   • 私有、臨時使用

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6. Linux 網絡配置

常用命令

1. ping ip/域名
   測試與目標主機是否連通

   ping www.baidu.com

2. ifconfig（Linux）
   查看當前主機 IP 地址

   ipconfig（Windows）
   查看 Windows 主機 IP 地址

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虛擬機配置

1. 虛擬機 → 設置 → 網絡適配器 → 橋接模式

2. 編輯 → 虛擬網絡編輯器 → VMnet0 → 橋接至當前 PC 網卡

3. 修改網絡配置文件（示例）

   sudo vim /etc/network/interfaces

   auto lo

   iface lo inet loopback

   auto ens33

   iface ens33 inet dhcp

4. 重啟網絡服務

   sudo /etc/init.d/networking restart

5. 測試

   ping www.baidu.com

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7. UDP 協議與編程

• UDP（User Datagram Protocol）屬于傳輸層協議。

• ?用戶數據報協議（User Datagram Protocol）

• 特點：無連接、不可靠、效率高，適合實時性強的應用（如視頻、語音）。

7.1 網絡編程模型

1. B/S 模型（Browser / Server）

   • 客戶端通用（瀏覽器）

   • 一般只開發服務器端

   • 客戶端的數據均來自服務器

2. C/S 模型（Client / Server）

   • 專用客戶端

   • 服務器和客戶端都需開發

   • 客戶端可保存部分資源，本地加載

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7.2 UDP 編程流程

基本概念

• 套接字（socket）：一個文件描述符，應用層與網絡通信的接口。

編程步驟

• 客戶端：

  1. 創建 socket

  2. 填寫服務器地址結構

  3. 發送數據 sendto

  4. 接收數據 recvfrom

  5. 關閉 socket

• 服務器：

  1. 創建 socket

  2. 綁定端口 bind

  3. 循環接收數據 recvfrom

  4. 可選擇回應客戶端 sendto

  5. 關閉 socket

#include <sys/types.h> ? ? ? ? ?/* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

? ? ? ?int socket(int domain, int type, int protocol);
功能：創建通信的套接字
參數：
domain：網絡層使用什么協議族
AF_INET：IPv4
AF_INET6：IPv6
type：規定傳輸層的協議
SOCK_DGRAM ： UDP協議
SOCK_STREAM：TCP協議
SOCK_RAW ：原始套接字
protocol ：0 按照默認協議方式創建
返回值：
成功：套接字
失敗：-1

? ? ? ?ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
功能：向網絡套接字發送數據
參數：
sockfd：套接字
buf： 要發送的數據的首地址
len：要發送的字節數
flags： 0：按照默認方式發送
dest_addr：接收方的地址信息（IP+端口號）
addrlen：接收方地址的大小
返回值：
成功：實際發送的字節數
失敗：-1

? ? ? ?man 7 ip
struct sockaddr_in {
sa_family_t ? ?sin_family; /* address family: AF_INET */
in_port_t ? ? ?sin_port; ? /* port in network byte order */
struct in_addr sin_addr; ? /* internet address */
};

? ? ? ? ? ?/* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t ? ? ? s_addr; ? ? /* address in network byte order */
};

網絡字節序：大端 ? ? ? ? ? ? ? ?network
主機字節序：小端 ?50000 ? host

0x1234

小端：0x34
0x12
大端：
0x12
0x34

uint32_t htonl(uint32_t hostlong); ? ? ? ? ?主機轉網絡
uint16_t htons(uint16_t hostshort); ? ? ? ? 主機轉網絡
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); ? ? ? ? ? 網絡轉主機
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); ? ? ? ? ?網絡轉主機

?in_addr_t inet_addr(const char *cp);
功能:
將字符串IP地址轉換成二進制IP地址形式

?char *inet_ntoa(struct in_addr in);
功能：
將二進制ip轉換成字符串

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);
功能：綁定自己的IP地址和端口號
參數：
sockfd：套接字
addr：需要綁定的地址
addrlen：地址大小
返回值：
成功：0
失敗：-1

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
功能：從套接字上接收數據
參數：
sockfd：套接字
buf：存放接收數據的內存首地址
len：希望接收的字節數
flags：0 ：按照默認方式接收（阻塞）
src_addr：發送方的地址信息
addrlen：發送發地址的指針
功能：
成功：實際接收到的字節數
失敗：-1