Linux 网络编程基础：从 TCP/UDP 到 Socket 编程

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在网络通信领域，Linux 提供了强大的编程接口，使得开发者能够高效地构建各种网络应用。本文将围绕 TCP/UDP 协议对比、端口号作用、字节序处理以及 Socket 编程核心步骤展开，帮助读者建立 Linux 网络编程的基础框架

一、TCP 与 UDP：两种核心传输协议的对比

1. 连接特性

TCP：面向连接（类似电话通信，需先建立连接），通过三次握手确保连接可靠。
UDP：无连接（类似写信，直接发送数据），无需提前建立连接，适合实时性场景（如 IP 电话、视频会议）。

2. 可靠性

TCP：提供可靠交付，保证数据无差错、不丢失、不重复且按序到达，通过确认机制、重传机制实现。
UDP：尽最大努力交付，不保证可靠性，适合对实时性要求高但允许少量丢包的场景。

3. 数据形式

TCP：面向字节流，将数据视为无结构的字节序列，适合传输大量连续数据。
UDP：面向报文，每个数据报独立传输，保留报文边界，适合小数据量交互。

4. 通信模式

TCP：仅支持点到点通信，一对一连接。
UDP：支持一对一、一对多、多对一、多对多的多播通信。

5. 首部开销

TCP：首部固定 20 字节，包含序列号、确认号、窗口大小等复杂字段。
UDP：首部仅 8 字节，包含源端口、目的端口、长度、校验和，简洁高效。

二、端口号：区分服务的 “网络房间号”

作用：一台主机通过 IP 地址提供多种服务（如 Web、FTP、SMTP），需通过 “IP 地址 + 端口号” 唯一标识不同服务。端口号是 16 位无符号整数（0-65535），其中：
- 知名端口（0-1023）：系统预留，如 FTP（21）、Telnet（23）、HTTP（80）、HTTPS（443）。
- 注册端口（1024-49151）：用户程序注册使用，如 MySQL（3306）、Redis（6379）。
- 动态端口（49152-65535）：临时分配给客户端，避免端口冲突。

三、字节序：数据在内存中的存储顺序

1. 两种字节序

小端序（Little Endian）：低字节存放在内存低地址（如 x86 架构），例如 0x01020304 在内存中存储为04 03 02 01。
大端序（Big Endian）：高字节存放在内存低地址（如网络传输标准），存储为01 02 03 04。

2. 网络字节序

网络通信统一采用大端序，避免不同架构主机间的字节序冲突。Linux 提供以下 API 实现主机字节序与网络字节序的转换：

#include <netinet/in.h>
uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue);   // 主机短整型→网络字节序
uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue);   // 主机长整型→网络字节序
uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue);    // 网络短整型→主机字节序
uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue);    // 网络长整型→主机字节序

四、Socket 编程核心步骤：从创建到数据交互

（一）服务器端开发流程

1. 创建套接字（socket）

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

domain：协议族，如AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）。
type：套接字类型，SOCK_STREAM（TCP）或SOCK_DGRAM（UDP）。
protocol：协议类型，通常为 0（自动选择对应 type 的默认协议）。

2. 绑定地址（bind）

将 IP 地址和端口号绑定到套接字：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8888);          // 端口号转为网络字节序
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;    // 绑定所有可用IP
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

3. 监听连接（listen）

TCP 服务器需监听客户端连接请求：

int listen(int sockfd, int backlog);          // backlog为等待连接队列长度

4. 接受连接（accept）

阻塞等待客户端连接，返回新的套接字描述符用于数据交互：

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);

5. 数据交互（read/write 或 send/recv）

TCP 字节流：使用read(connfd, buf, len)读取数据，write(connfd, buf, len)发送数据。
UDP 数据报：使用recvfrom和sendto，需指定对端地址。

6. 关闭套接字（close）

close(sockfd);
close(connfd);

（二）客户端开发流程

1. 创建套接字（同服务器）

2. 连接服务器（connect）

struct sockaddr_in server_addr;
inet_aton("192.168.1.100", &server_addr.sin_addr);  // 字符串IP转网络格式
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8888);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

3. 数据交互（同服务器）

4. 关闭套接字

五、关键 API 总结与最佳实践

地址转换工具：inet_aton（字符串 IP→网络字节序）和inet_ntoa（网络字节序→字符串 IP）简化 IP 处理。
协议选择：需可靠性选 TCP，需实时性选 UDP；UDP 需自行处理丢包和重传。
错误处理：所有 Socket 函数需检查返回值，处理errno错误码（如EAGAIN表示资源暂时不可用）。

六、总结

Linux 网络编程的核心是理解 TCP/UDP 的差异、合理使用端口号、处理字节序转换，并掌握 Socket 编程的基本流程。从创建套接字到数据交互，每个步骤都需关注细节（如地址结构对齐、网络字节序转换），才能构建稳定高效的网络应用。无论是开发服务器端程序还是客户端工具，扎实的基础都是解决复杂网络问题的关键。通过实践不同场景（如并发服务器、UDP 广播），可进一步提升网络编程能力。