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C++网络编程知识汇总

C++网络编程是利用C++语言实现计算机网络通信的核心技术，涉及TCP/IP协议栈、套接字编程、多线程处理、I/O复用等核心领域。以下从协议栈基础、Socket编程、高级网络编程技术、实际应用案例四个维度展开系统化总结。

一、协议栈基础架构

1.1 OSI七层模型与TCP/IP四层模型

• OSI七层模型

物理层（Ethernet/RS-232）、数据链路层（Ethernet MAC/PPP）、网络层（IP/ICMP/ARP）、传输层（TCP/UDP）、会话层（NetBIOS/RPC）、表示层（SSL/TLS/JPEG）、应用层（HTTP/FTP/SMTP）。

• TCP/IP四层模型

网络接口层（Ethernet/Wi-Fi）、网络层（IP/ICMP/ARP）、传输层（TCP/UDP）、应用层（HTTP/FTP/DNS/SMTP）。TCP/IP将OSI的会话层、表示层、应用层合并为应用层，是互联网通信的实际标准。

1.2 核心协议解析

• HTTP协议

基于请求-响应模型，支持GET/POST/PUT/DELETE方法，默认端口80（HTTP）和443（HTTPS）。HTTP/1.1引入持久连接，HTTP/2实现多路复用，HTTP/3基于QUIC协议（UDP实现）。

• TCP协议

面向连接、可靠传输协议，通过三次握手建立连接（SYN→SYN-ACK→ACK），四次挥手释放连接（FIN→ACK→FIN→ACK）。采用滑动窗口控制流量，慢启动/拥塞避免算法避免网络拥塞。

• UDP协议

无连接、不可靠传输协议，适用于实时性要求高的场景（如视频会议、在线游戏）。头部开销仅8字节，传输效率高于TCP。

• IP协议

网络层协议，负责数据包路由。IPv4使用32位地址（如192.168.1.1），IPv6使用128位地址（如2001:0db8::ff00:0042）。支持分片与重组，最大传输单元（MTU）通常为1500字节。

二、Socket编程基础

2.1 Socket类型与工作流程

• 流式套接字（SOCK_STREAM）

基于TCP协议，提供可靠、面向连接的字节流传输。适用于文件传输、网页浏览等场景。工作流程：创建套接字→绑定IP和端口→监听连接→接受客户端连接→数据收发→关闭连接。

• 数据报套接字（SOCK_DGRAM）

基于UDP协议，提供无连接、不可靠的数据报传输。适用于实时性要求高但可靠性要求低的场景（如视频会议、在线游戏）。工作流程：创建套接字→绑定IP和端口（可选）→直接发送/接收数据→关闭套接字。

2.2 关键函数与数据结构

• Socket地址结构

sockaddr为通用地址结构，sockaddr_in为IPv4专用结构：

 struct sockaddr_in {
      short int sin_family;      // 地址族（AF_INET）
      unsigned short sin_port;   // 端口号（需htonl转换）
      struct in_addr sin_addr;   // IP地址
      unsigned char sin_zero[8]; // 填充字段
  };

• 核心函数

    • socket()：创建套接字。

    • bind()：绑定IP和端口。

    • listen()：监听连接请求。

    • accept()：接受客户端连接。

    • connect()：客户端连接服务器。

    • send()/recv()：TCP数据收发。

    • sendto()/recvfrom()：UDP数据收发。

    • close()：关闭套接字。

2.3 TCP服务器与客户端示例

• TCP服务器代码

 #include <iostream>
  #include <cstring>
  #include <sys/socket.h>
  #include <arpa/inet.h>
  #include <unistd.h>
  #define PORT 8888
  int main() {
      int server_fd, new_socket;
      struct sockaddr_in address;
      int opt = 1;
      int addrlen = sizeof(address);
      char buffer[1024] = {0};
      const char *hello = "Hello from server";

      // 创建套接字
      if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
          perror("socket failed");
          exit(EXIT_FAILURE);
      }

      // 设置套接字选项
      if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
          perror("setsockopt");
          exit(EXIT_FAILURE);
      }

      address.sin_family = AF_INET;
      address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
      address.sin_port = htons(PORT);

      // 绑定套接字
      if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
          perror("bind failed");
          exit(EXIT_FAILURE);
      }

      // 监听连接请求
      if (listen(server_fd, 3) < 0) {
          perror("listen");
          exit(EXIT_FAILURE);
      }

      // 接受客户端连接
      if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
          perror("accept");
          exit(EXIT_FAILURE);
      }

      // 读取客户端数据并回复
      int valread = read(new_socket, buffer, 1024);
      std::cout << buffer << std::endl;
      send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);
      std::cout << "Hello message sent" << std::endl;

      // 关闭套接字
      close(new_socket);
      close(server_fd);
      return 0;
  }

• TCP客户端代码

 #include <iostream>
  #include <cstring>
  #include <sys/socket.h>
  #include <arpa/inet.h>
  #include <unistd.h>
  #define PORT 8888
  int main() {
      int sock = 0;
      struct sockaddr_in serv_addr;
      char *hello = "Hello from client";
      char buffer[1024] = {0};

      // 创建套接字
      if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
          std::cout << "\n Socket creation error \n";
          return -1;
      }

      serv_addr.sin_family = AF_INET;
      serv_addr.sin_port = htons(PORT);

      // 转换IP地址
      if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
          std::cout << "\nInvalid address/ Address not supported \n";
          return -1;
      }

      // 连接服务器
      if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
          std::cout << "\nConnection Failed \n";
          return -1;
      }

      // 发送数据并接收响应
      send(sock, hello, strlen(hello), 0);
      std::cout << "Hello message sent" << std::endl;
      int valread = read(sock, buffer, 1024);
      std::cout << buffer << std::endl;

      // 关闭套接字
      close(sock);
      return 0;
  }

三、高级网络编程技术

3.1 多线程与I/O复用

• 多线程服务器

使用std::thread为每个客户端连接创建独立线程，提升并发处理能力。示例代码：
 #include <thread>
  void handle_client(int client_socket) {
      char buffer[1024] = {0};
      read(client_socket, buffer, 1024);
      std::cout << "Message from client: " << buffer <<