1、目的

實現不同主機上進程間的通信。

2、問題

1. 主機與主機之間在物理層面必須互聯互通。
2. 進程與進程在軟件層面必須互聯互通。

• IP地址：計算機的軟件地址，用來標識計算機設備。
• MAC地址：計算機的硬件地址（固定）。
• 網絡的端口號：標記同一主機上的不同網絡進程。

3、網絡協議

網絡通信標準

OSI七層模型

開放系統互聯模型，是不同設備間網絡通信的通信標準，可概括為“物數網傳會表應”。

• 應用層：要傳輸的數據信息，如文件傳輸、電子郵件等。
• 表示層：進行數據加密、解密操作，壓縮、解壓縮。
• 會話層：建立數據傳輸通道（會話）。
• 傳輸層：確定傳輸方式（UDP、TCP），涉及端口號。
• 網絡層：實現數據路由、路徑規劃（路由器、IP），涉及傳輸方式（UDP、TCP）和端口號。
• 數據鏈路層：將各層數據封裝成幀，實現點對點通信（局域網內通信），進行差錯檢測（交換機、ARP）。
• 物理層：定義物理設備標準、電器特性，涉及網線、光纖等傳輸介質。

TCP/IP模型

應用模型，有五層和四層兩種劃分方式。

五層劃分

• 應用層：
  • HTTP：超文本傳輸協議。
  • HTTPS：超文本傳輸協議（SSL加密算法）。
  • FTP：文件傳輸協議（TCP）。
  • TFTP：簡單文本傳輸協議（UDP）。
  • MQTT：消息隊列遙測傳輸（物聯網協議）。
  • DNS：域名解析服務（將域名轉換為IP地址）。
• 傳輸層：
  • TCP：傳輸控制協議。
  • UDP：用戶數據報協議。
• 網絡層：
  • IP協議：包括IPv4和IPv6。
• 數據鏈路層：
  • ARP協議：地址解析協議。
• 物理層

四層劃分

• 應用層
• 傳輸層
• 網絡層
• 網絡接口層

4、IP協議

基本概念

IP協議位于網絡層。

• IPv4為32位，如192.168.1.128。
• IPv6為128位。

IP地址的用戶表示形式為點分十進制，如192.168.1.140；

計算機存儲形式為32位二進制，如11000000 10101000 00000000 01000011。

組成與相關概念

• IP地址組成：IP地址 = 網絡位 + 主機位。
  • 例如192.168.0.121/24，其中24表示網絡位的位數。
    • 網絡位：標識該IP地址位于哪個網段（局域網）內。
    • 主機位：標識在這個網段（局域網）內的第幾臺主機。
• 子網掩碼：用于區分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，是0的部分對應IP地址的主機位。
  • 如255.255.255.0，其二進制形式為11111111.11111111.11111111.00000000。
• 網段號：IP地址網絡位不變，主機位全為0，則為該IP地址的網段號。
  • 例如，IP地址192.168.1.3，子網掩碼255.255.0.0，其網段號為192.168.0.0，位于192.168.1.0網段內（網段內的IP能直接通信）。
• 廣播號：IP地址網絡位不變，主機位全為1，則為該IP地址的廣播號。
  • 向廣播號發送信息，所有局域網內IP都能收到此信息。例如，IP地址192.168.1.3，子網掩碼255.255.255.0，其廣播號為192.168.1.255（如feiQ、VNC使用）。
• 網關地址：如192.168.1.1。

IP地址劃分

• 公有IP：由電信公司直接分配，需要付費，可以直接訪問internet。
• 私有IP：不能直接訪問internet的IP地址，目的是節省IP地址。

5、網絡端口號

基本信息

????????端口號是16位的整形數據（unsigned short），范圍為0~65535，功能是標記同一主機的不同網絡進程。

分類

1. 1-1023之間的端口號：任何TCP/IP實現所提供的服務使用。如http：80，FTP：20/21，TFPT：69，HTTPS：443。
2. 1024-49151：被注冊的端口號，被IANA指定為特殊服務使用。如MQTT：1883/8883。
3. 49152-65535：動態或私有端口號。

6、網絡配置

1. ping命令：ping ip地址/域名，用于查看當前主機和IP/域名所對應的主機網絡是否聯通。如ping www.baidu.com。
2. 查看IP地址：
   • 在Linux中使用????????ifconfig。
   • 在Windows上使用? ? ? ipconfig。
3. 網絡配置步驟：
   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--》更改設置--》VMnet0---》橋接至--》當前PC正在上網的網卡上--》應用--》確定。
   3. 修改網絡配置文件：sudo vim /etc/network/interfaces，文件內容如下：

   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

7、網絡協議--UDP

基本概念

UDP（User Datagram Protocol）即傳輸層用戶數據報協議。

網絡編程模型

• B/S模型（browser/server，瀏覽器/服務器）：
  1. 客戶端是通用的客戶端（瀏覽器）。
  2. 一般只做服務器開發。
  3. 客戶端要加載的數據均來自服務器。
• C/S模型（client/server，客戶端/服務端）：
  1. 客戶端是一個專用的客戶端。
  2. 服務器和客戶端都需開發。
  3. 客戶端可以保存資源，本地加載，無需所有數據都請求服務器。

UDP編程

套接字

套接字是文件描述符，是網絡通信時應用層可操作的端口。

相關函數

1. socket函數

   #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：網絡層使用的協議族，AF_INET表示IPv4，AF_INET6表示IPv6。
     • type：規定傳輸層的協議，SOCK_DGRAM表示UDP協議，SOCK_STREAM表示TCP協議，SOCK_RAW表示原始套接字。
     • protocol：0按照默認協議方式創建。
   • 返回值：成功返回套接字，失敗返回-1。

2. sendto函數

   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表示按照默認方式發送。
     • 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：成功返回實際發送的字節數，失敗返回-1。

3. sockaddr_in結構體（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 */  
   };  
   

4. 字節序轉換函數? ??

字節序轉換

網絡字節序（大端順序）和主機字節序（小端順序）在數據存儲方式上存在差異。

網絡字節序中，高位字節存儲在低地址；主機字節序中，低位字節存儲在低地址。

例如，數值$0x1234$：

• 小端存儲：低地址為$0x34$，高地址為$0x12$
• 大端存儲：低地址為$0x12$，高地址為$0x34$

標準庫函數提供了字節序轉換功能，具體聲明如下：

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);          // 主機轉網絡（32位）
uint16_t htons(uint16_t hostshort);         // 主機轉網絡（16位）
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);           // 網絡轉主機（32位）
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);          // 網絡轉主機（16位）

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

8、代碼訓練

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> 
#include <arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include <stdlib.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("192.168.0.179");// 創建子進程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));if(cnt < 0){perror("sendto error");return -1;}printf("cnt = %ld\n", cnt);memset(buff, 0, sizeof(buff));}close(sockfd);return 0;
}

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sockfd < 0){perror("socket error");return -1;}// 服務端自己的地址信息變量struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(50000);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.177");int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");ret -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;
}