0. TCP\IP模型
1. 应用层
- 功能：
- 直接为用户应用程序提供网络服务（如文件传输、电子邮件、网页浏览）。
- 定义数据格式和会话规则（如HTTP的请求/响应模型）。
- 主要协议：
- HTTP/HTTPS：网页浏览。
- FTP：文件传输。
- SMTP/POP3/IMAP：电子邮件收发。
- DNS：域名解析。
- DHCP：动态IP分配。
- SSH/Telnet：远程登录。
2. 传输层
- 功能：
- 提供端到端（进程到进程）的数据传输服务。
- 保证可靠性（如TCP的重传机制）或高效性（如UDP的低延迟）。
- 通过**端口号**区分不同应用程序。
- 主要协议：
- TCP：面向连接、可靠传输（如网页、文件下载）。
- UDP：无连接、高效传输（如视频流、DNS查询）。
3. 网络层
- 功能：
- 负责数据包的路由选择和逻辑寻址（如IP地址）。
- 解决跨网络的通信问题（如路由器工作在这一层）。
- 主要协议：
- IP（IPv4/IPv6）：数据包的路由和寻址。
- ICMP：网络状态检测（如`ping`）。
- ARP：IP地址 → MAC地址解析。
- RIP/OSPF/BGP：动态路由协议。
4. 数据链路层
- 功能：
- 在同一局域网内传输数据帧（通过MAC地址）。
- 提供错误检测（如CRC校验），但不纠正错误。
- 管理物理层设备（如交换机工作在这一层）。
- 主要协议/技术：
- Ethernet（IEEE 802.3）：有线局域网。
- Wi-Fi（IEEE 802.11）：无线局域网。
- PPP：点对点协议（如拨号上网）。
- VLAN（IEEE 802.1Q）：虚拟局域网。
5. 物理层（Physical Layer）
- 功能：
- 定义物理介质（如电缆、光纤）的电气/光学特性。
- 传输原始比特流（0和1）。
关键点总结：
1. 应用层：用户交互，协议定义应用行为。
2. 传输层：进程间通信，选择可靠（TCP）或高效（UDP）。
3. 网络层：跨网络寻址和路由（IP是核心）。
4. 数据链路层：局域网内帧传输（MAC地址）。
5. 物理层：物理介质和比特流传输。 去掉文中的*和#
1. 网络传输基本流程
1.1 mac地址
（1）基本概念
每台主机在局域网上，有唯一的标识来保证主机的唯一性：mac 地址。
- 在网卡出厂时就确定了，不能修改。mac 地址通常是唯一的。
- MAC 地址用来识别数据链路层中相连的节点;
- 长度为 48 位, 即 6 个字节. 一般用 16 进制数字加上冒号的形式来表示(例如:08:00:27:03:fb:19)
（2）网络传输相关概念
- 以太网中，任何时刻，只允许一台机器向网络中发送数据
- 如果有多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞
- 所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免
- 没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域
- 局域网通信的过程中，主机对收到的报文确认是否是发给自己的，是通过目标mac地址判定
以太网的本质就是共享的资源，也就是临界资源，那上面所说的数据碰撞不就是互斥属性吗！
（3）数据传输流程
每层都有协议，所以当进行上述传输流程的时候，要进行封装和解包
1.2 数据包封装和分用
下图为数据分用的过程
我们学习任何协议，都要先宏观上建立这样的认识：
1.要学习的协议，是如何做到解包的？只有明确了解包，封包也就能理解
2.要学习的协议，是如何做到将自己的有效载荷，交付给上层协议的？
1.3 IP地址
IP 协议有两个版本，IPv4 和 IPv6。下面默认指 IPv4。
- IP 地址是在 IP 协议中，用来标识网络中不同主机的地址；
- 对于 IPv4 来说，IP 地址是一个 4 字节，32 位的整数；
- 我们通常也使用 "点分十进制" 的字符串表示 IP 地址，例如 192.168.0.1；用点分割的每一个数字表示一个字节，范围是 0 - 255。
下面是一张跨网络传输流程图
路由器负责在不同网络之间转发数据，单层网络（如局域网）无法直接跨网通信。
目的IP的作用是明确数据包最终要到达的设备，并指导路由器如何转发。
- 目的 IP 是一种长远目标，Mac 是下一阶段目标，目的 IP 是路径选择的重要依据，mac 地址是局域网转发的重要依据，只在本局域网中有效。
2.socket编程预备
数据传输到主机是目的吗？不是的。因为数据是给人用的。比如：聊天是人在聊天，下载是人在下载，浏览网页是人在浏览。
但是人是怎么看到聊天信息的呢？怎么执行下载任务呢？怎么浏览网页信息呢？通过启动的QQ、迅雷、浏览器。而启动的QQ、迅雷、浏览器都是进程。换句话说，进程是人在系统中的代表，只要把数据给进程，人就相当于拿到了数据。
所以：数据传输到主机不是目的，而是手段。到达主机内部，再交给主机内的进程，才是目的。
但是系统中，同时会存在非常多的进程，当数据到达目标主机之后，怎么转发给目标进程？这就要在网络的背景下，在系统中，标识主机的唯一性，也就是源 IP 地址和目的 IP 地址存在的意义。
网络通信的本质就是让两个不同主机的进程进行数据交互，即进程间通信， 让不同进程看到同一份资源。
2.1 端口号
端口号进程划分：
端口号与进程ID的区别：
- 一个进程可以绑定多个端口，但一个端口同一时间只能被一个进程占
- 端口号仅在网络通信期间有效，而进程ID从进程启动到结束一直存在
综上，IP 地址用来标识互联网中唯一的一台主机，port 用来标识该主机上唯一的一个网络进程，所以 IP+Port 就能表示互联网中唯一的一个进程。
3. 网络字节序
相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分，网络数据流同样有大端小端之分。那么如何定义网络数据流的地址呢?
大端模式（Big-Endian）
高字节存储在低地址，符合人类阅读习惯。
小端模式（Little-Endian）
低字节存储在低地址，兼容CPU计算方式（如x86/ARM）。
网络数据传输的字节序规则:
1. 数据发送与接收的地址顺序
- 发送主机：
- 将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发出。
- 先发出的数据是低地址，后发出的数据是高地址。
- 接收主机：
- 把从网络上接收到的字节依次保存在接收缓冲区中，同样按内存地址从低到高的顺序保存。
2. 网络字节序规定
- TCP/IP协议规定，网络数据流采用大端字节序（低地址存高字节）。
- 无论主机是大端机还是小端机，都必须按照TCP/IP规定的网络字节序来发送/接收数据。
- 如果发送主机是小端机，需要先将数据转成大端序；如果是大端机则可直接发送。
、h表示 host，n 表示 network，l 表示 32 位长整数，s 表示 16 位短整数。
例如 htonl 表示将 32 位的长整数从主机字节序转换为网络字节序。
如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回；
如果主机是大端字节序，这些函数不做转换,将参数原封不动地返回。
4.socket编程接口
C
// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,
socklen_t address_len);
// 开始监听 socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,
socklen_t* address_len);
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);
4.1 sockaddr 结构
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family; // 地址族（如 AF_INET）
char sa_data[14]; // 协议特定地址数据
};
在基于 IPv4 编程时，使用的数据结构是 sockaddr_in 和 sockaddr_un，但都需要强制转换为struct sockaddr *，这样不同协议族的地址结构能统一通过 socket API 传递。
sockaddr_in 结构里主要有三部分信息：地址类型，端口号，IP 地址
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family; // 地址族（AF_INET）
in_port_t sin_port; // 16位端口号（网络字节序）
struct in_addr sin_addr; // 32位IP地址
unsigned char sin_zero[8]; // 填充字段（保证与sockaddr大小一致）
};
必须设置 sin_family = AF_INET（IPv4协议）。
sin_port 和 sin_addr.s_addr 需转换为网络字节序（htons()/htonl()）。
sin_zero 仅用于填充，通常置零（memset(&addr, 0, sizeof(addr))）。
typedef uint16_t in_port_t; 无符号16位整数
typedef unsigned short int sa_family_t; 无符号短整数
typedef uint32_t in_addr_t; 无符号32位整数
in_addr结构
4.2 套接字相关函数
4.2.1 创建套接字：socket()
参数：
domain：地址族。
常用取值：
AF_INET IPv4 协议族（最常用），地址结构为 struct sockaddr_in。
AF_INET6 IPv6 协议族，地址结构为 struct sockaddr_in6。
AF_UNIX/AF_LOCAL 本地进程间通信（Unix Domain Socket），地址为文件路径。
AF_PACKET 底层数据包接口（如原始套接字，可监听网卡流量）。
type：套接字类型，UDP 使用 SOCK_DGRAM。
protocol：通常为 0（自动选择协议，UDP 对应 IPPROTO_UDP）。
当 protocol = 0 时，系统会根据 domain 和 type 自动选择协议：
AF_INET + SOCK_DGRAM → 自动选择 IPPROTO_UDP。
AF_INET + SOCK_STREAM → 自动选择 IPPROTO_TCP。
返回值：成功返回套接字描述符（sockfd），失败返回 -1。
在 Linux 编程中，套接字描述符（sockfd） 是一个整数，它是内核中套接字数据结构的引用。
这个数据结构包含：
本地地址和端口（通过 bind() 设置）。
远程地址和端口（通过 connect() 或 sendto() 设置）。
协议类型（如 UDP/TCP）。
缓冲区（用于存储待发送或已接收的数据）。
状态标志（如是否已连接、是否可读 / 写）。
4.4.2 绑定地址：bind()
将套接字绑定到本地IP和端口（服务端必选，客户端可选）。
参数：
sockfd：由 socket() 返回的套接字描述符，用于指定要绑定的套接字。
它是输入参数，表示 “对哪个套接字进行绑定操作”。
addr：指向 struct sockaddr_in（IPv4）或 sockaddr_in6（IPv6）的指针。
addrlen：地址结构体长度。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1。
4.2.3 发送数据：sendto()
参数：
buf：待发送数据的缓冲区。
len：数据长度。
dest_addr：目标地址结构体。
addrlen：目标地址长度。
返回值：成功返回发送的字节数，失败返回 -1。
4.2.4 接受数据：recvfrom()
参数：
buf：接收数据的缓冲区。
len：缓冲区最大长度。
src_addr：用于保存发送方地址（可为 NULL）。
addrlen：输入时为缓冲区长度，输出时为实际地址长度。
返回值：成功返回接收的字节数，失败返回 -1。
4.2.5 TCP相关函数
int listen(int socket, int backlog);
用于服务器端：将一个已绑定地址的套接字设置为监听状态，准备接受客户端连接。
socket：文件描述符，由 socket() 创建。
backlog：内核为该套接字维护的 已完成连接队列 和 未完成连接队列 的长度上限。
成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
用于 服务器端：从监听套接字上接受一个连接，返回一个新的套接字，用于与客户端通信。
socket：监听套接字（由 listen() 设置的）。
address：指向结构体，用于获取客户端的地址信息。
address_len：输入输出参数，指定结构体大小并返回实际填充的大小。
返回值：新的连接套接字；若出错返回 -1。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
用于 客户端：主动发起连接请求到服务器端指定地址，将套接字 sockfd 连接到远程服务器。
sockfd：由 socket() 创建的套接字。
addr：指向服务器地址结构体，如 sockaddr_in。
addrlen：地址结构体的大小。
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
recv() 是用于从已连接的套接字接收数据的系统调用，主要用于 TCP 通信。
lags: 控制接收行为的标志位（常用值如下）：
0: 默认行为（阻塞模式）
MSG_PEEK: 查看数据但不从接收队列移除
MSG_WAITALL: 等待直到请求的所有数据都到达
MSG_DONTWAIT: 非阻塞接收
返回值
成功时：返回接收到的字节数
连接关闭：返回 0（对端正常关闭连接）
出错时：返回 -1，并设置 errno
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
send() 是用于通过已连接的套接字发送数据的系统调用，主要用于 TCP 通信。
flags: 控制发送行为的标志位（常用值如下）：
0: 默认行为（阻塞模式）
MSG_DONTWAIT: 非阻塞发送
MSG_NOSIGNAL: 发送失败时不产生 SIGPIPE 信号
MSG_OOB: 发送带外数据（紧急数据）
返回值
成功时：返回实际发送的字节数（可能小于请求的 len）
出错时：返回 -1，并设置 errno
4.2.6 其他辅助函数
地址转换
（1）inet_pton() 是一个用于将 人类可读的IP地址字符串 转换为 二进制网络字节序 的函数，通常在套接字编程中用于设置 struct sockaddr_in 或 struct sockaddr_in6 的地址字段。
n 代表 Network（网络），即二进制形式的 IP 地址（如 struct in_addr 或 struct in6_addr）。
p 代表 Presentation（表示），即人类可读的字符串形式（如 "192.168.1.1" 或 "2001:db8::1"）。
#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
af地址族：AF_INET（IPv4）, AF_INET6（IPv6）
const char* src：源字符串，即点分十进制的IPv4地址（如 "192.168.1.1"）或IPv6地址。
dst：目标缓冲区指针，用于存储转换后的二进制地址：
IPv4：struct in_addr
IPv6：struct in6_addr
返回值
1 转换成功，结果存储在 dst 中。
0 输入的地址字符串不合法（与 af 指定的地址族不匹配）。
-1 错误发生（如地址族不支持），可通过 errno 获取具体错误原因。
（2）inet_ntop()：将二进制IP转换为字符串形式。
#include <arpa/inet.h>
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
参数size表示缓冲区 dst 的大小（防止溢出）。
字节序转换：
htons()、htonl()：主机字节序 → 网络字节序（大端）。
ntohs()、ntohl()：网络字节序 → 主机字节序。
4.3 网络命令
1. ifconfig（Interface Config）
用于查看和配置网络接口信息。
2. netstat（Network Statistics）
用于显示网络连接、路由表、接口状态等信息（被 ss 命令取代，但仍可用）。
-t：仅显示TCP监听状态的连接
-u：仅显示UDP监听状态的连接
-l：仅显示所有监听状态（Listen）的连接
-n：拒绝显示别名，能显示数字的全部转化成数字
-p：显示建立相关链接的程序名
3. ping
用于测试网络连接性和主机可达性。通过向目标主机发送 ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议 ）回显请求数据包，等待目标主机返回 ICMP 回显应答数据包，以此判断网络是否畅通、延迟情况等。
-c ：指定发送 ICMP 请求包的数量。
-w ：设置等待响应的超时时间（单位为秒）。
4. pidof
ps axj | head -1 && ps ajx | grep tcp_server
PPID PID PGID SID TTY TPGID STAT UID TIME
COMMAND
2958169 2958285 2958285 2958169 pts/2 2958285 S+ 1002
0:00 ./tcp_server 8888
pidof tcp_server
2958285
4. telnet
用于测试端口连通性，尤其是 TCP 端口。
telnet [IP地址] [端口号]
例子：测试本机的 80 端口是否可连接：
telnet 127.0.0.1 80
如果连接成功，会看到类似于：
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
如果没有安装 telnet，可以用：
nc -vz 127.0.0.1 80
UDP编程流程
服务端
socket() → bind() → recvfrom()/sendto() → close()。
客户端
socket() → sendto()/recvfrom() → close()（无需 bind，系统自动分配端口）。
5. UDPsocket的封装
UdpServer.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <functional>
#include "Log.hpp"
using namespace LogModule;
const int defaultfd = -1;
using func_t = std::function<std::string(const std::string &)>;
class UdpServer
{
public:
UdpServer(uint16_t port, func_t func)
: _sockfd(defaultfd),
//_ip(ip),
_port(port),
_isrunning(false),
_func(func)
{
}
void Init()
{
// 1. 创建套接字
_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(_sockfd == -1)
{
LOG(LogLevel::FATAL) << "socket error";
exit(1);
}
LOG(LogLevel::INFO) << "socket create success" << _sockfd;
//2. 绑定接口 本地ip和端口
//2.1 填充sockaddr_in结构体
struct sockaddr_in local;
bzero(&local, sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
//本地格式-》网络序列
local.sin_port = htons(_port);
//IP转换为网络序列
//local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //宏对应的值是0
int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
if(n == -1)
{
LOG(LogLevel::FATAL) << "bind error";
exit(2);
}
LOG(LogLevel::INFO) << "bind success, sockfd" << _sockfd;
}
void Start()
{
_isrunning = true;
while(_isrunning)
{
char buffer[1024];
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len = sizeof(peer);
//1. 收消息
ssize_t s = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);
if(s > 0)
{
int peer_port = ntohs(peer.sin_port);
std::string peer_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
buffer[s] = 0;
//LOG(LogLevel::INFO) << "[" << peer_ip << ":" << peer_port << "buffer：" << buffer;
LOG(LogLevel::INFO) << "buffer：" << buffer;
std::string result = _func(buffer);
//2. 发消息
//std::string echo_string = "server echo@";
//echo_string += buffer;
sendto(_sockfd, result.c_str(), result.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);
}
}
}
~UdpServer() {}
private:
int _sockfd;
uint16_t _port;
//std::string _ip; // 用的是字符串风格，点分十进制
bool _isrunning;
func_t _func;
};
UdpServer.cc
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include "UdpServer.hpp"
std::string defaulthandler(const std::string &str)
{
std::string ret = "hello, ";
ret += str;
return ret;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc != 2)
{
std::cerr << "Usage：" << argv[0] << " port" << std::endl;
return 1;
}
//std::string ip = argv[1];
uint16_t port = std::stoi(argv[1]);
Enable_Console_Log_Strategy();
std::unique_ptr<UdpServer> usvr = std::make_unique<UdpServer>(port, defaulthandler);
usvr->Init();
usvr->Start();
return 0;
}
UdpClient.cc
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc != 3)
{
std::cerr << "Usage：" << argv[0] << "server_ip server_port" << std::endl;
return 1;
}
std::string server_ip = argv[1];
uint16_t server_port = std::stoi(argv[2]);
std::cout << "server_ip: " << server_ip << " server_port: " << server_port <<std::endl;
//1. 创建套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(sockfd < 0)
{
std::cerr << "socket error" << std::endl;
return 2;
}
std::cout << "sockfd: " << sockfd << std::endl;
//客户端无需显示低绑定，首次发送消息，客户端会自动给client进行bind
//，OS知道IP，采用随机端口号的方式，client的端口号只要是唯一的就行
struct sockaddr_in server;
memset(&server, 0, sizeof(server));
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(server_port);
server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());
std::cout << "sin_port: " << server.sin_port << " sin_addr: " << server.sin_addr.s_addr << std::endl;
while(true)
{
std::string input;
std::cout << "Please Enter：";
std::getline(std::cin, input);
int n = sendto(sockfd, input.c_str(), input.size(), 0, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
char buffer[1024];
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len = sizeof(peer);
int m = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);
if(m > 0)
{
buffer[m] = 0;
std::cout << buffer << std::endl;
}
}
return 0;
}
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