Linux：网络

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目录

一、网络

1. 网络的定义

2. 网络的构成

二、网络地址体系详解

1. IP 地址

2. 子网掩码

3. 网关（Gateway）

4. DNS（域名系统）

三、网络分层模型

1. OSI 七层模型（开放系统互联模型）

2. TCP/IP 模型（实际应用模型）

四、传输层核心协议（TCP 与 UDP）

1. TCP（传输控制协议）

2. UDP（用户数据报协议）

3. TCP 与 UDP 对比表

五、Socket 网络编程（Linux）

1. Socket 概念

2. 相关函数

（1）创建 Socket：socket()

（2）绑定地址：bind()（服务器端）

（3）监听连接：listen()（服务器端）

（4）接受连接：accept()（服务器端）

（5）发起连接：connect()（客户端）

3. 辅助函数（地址转换）

（1）字节序转换（网络字节序为大端）

（2）IP 地址转换

4. 端口号

六、TCP C/S 通信模型完整流程

1. 服务器端流程（被动方）

2. 客户端流程（主动方）

3. 流程对比总结

七、网络通信模式

1. C/S 模式（Client/Server，客户端 / 服务器模式）

2. B/S 模式（Browser/Server，浏览器 / 服务器模式）

3. P2P 模式（Peer-to-Peer，点对点模式）

4. 三种模式对比表

一、网络

1. 网络的定义

网络的核心是实现不同主机的进程间通信

2. 网络的构成

• 物理通路：
  • 无线：4G/5G 移动通信、卫星通信等
  • 有线：光纤、双绞线（超 5 类 / 6 类网线）等
• 逻辑通路：通过软件层面的协议（如 TCP/IP）建立的虚拟连接（如 QQ 软件间的逻辑链接）

二、网络地址体系详解

1. IP 地址

• 作用：唯一标识网络中的一台主机（类似身份证号码）
• 结构：IP地址 = 网络号 + 主机号（类比 “区号 + 电话号码”）
• 表示形式：
  • 本质是 32 位二进制数（IPv4）
  • 采用点分十进制表示（将 32 位分为 4 组 8 位二进制，每组转换为 0~255 的十进制，用点分隔）
  • 示例：192.168.0.150、183.2.172.17（百度服务器 IP）
• 查看方式：
  • Windows：ipconfig命令（无线局域网适配器 WLAN 的 IPv4 地址）
  • Linux：ifconfig或ip addr命令（inet 字段）

2. 子网掩码

• 作用：区分 IP 地址中的 “网络号” 和 “主机号”，判断两台主机是否在同一网段
• 计算规则：IP 地址与子网掩码进行按位与运算，结果为网络号
• 示例：

  IP 地址	子网掩码	运算过程（二进制）	网络号
  192.168.0.150	255.255.255.0	11000000.10101000.00000000.10010110 & 11111111.11111111.11111111.00000000 = 11000000.10101000.00000000.00000000	192.168.0.0
  183.2.172.17	255.255.255.0	10110111.00000010.10101100.00010001 & 11111111.11111111.11111111.00000000 = 10110111.00000010.10101100.00000000	183.2.172.0

3. 网关（Gateway）

• 作用：连接不同网络的 “出入口” 设备。当主机访问非本地网段的目标主机时，数据会先发送到网关，由网关转发
• 示例：家庭网络中，路由器通常作为默认网关（如192.168.0.1）

4. DNS（域名系统）

• 作用：将易记的域名（如www.baidu）解析为对应的 IP 地址（如183.2.172.17），实现 “域名→IP” 的映射
• 解析流程：用户输入域名→DNS 服务器查询→返回对应 IP→主机通过 IP 访问目标服务器

三、网络分层模型

1. OSI 七层模型（开放系统互联模型）

OSI 模型是网络通信的理论参考模型，将通信过程分为 7 层，每层负责特定功能：

2. TCP/IP 模型（实际应用模型）

TCP/IP模型不同层的存储：

TCP/IP 模型是互联网的实际通信标准，简化了 OSI 模型：

• 4 层模型：应用层 → 传输层 → 网络层 → 网络接口层（对应 OSI 的物理层 + 数据链路层）
• 5 层模型：应用层 → 传输层 → 网络层 → 数据链路层 → 物理层（更易理解）
• 核心协议：TCP（传输控制协议）和 IP（网际协议），因此得名 TCP/IP 协议簇

• OSI模型、TCP/IP模型的区别：

四、传输层核心协议（TCP 与 UDP）

1. TCP（传输控制协议）

• 特点：
  • 面向连接：通信前必须建立连接（三次握手）
  • 可靠传输：保证数据无丢失、无失序、无差错、无重复
  • 字节流：数据以字节为单位连续传输（类似水流）
  • 双工通信：双方可同时收发数据
• 三次握手（建立连接）：
  1. 客户端 → 服务器：发送连接请求（SYN 报文，“我要通话”）
  2. 服务器 → 客户端：确认请求并返回连接许可（SYN+ACK 报文，“我准备好了，你可以开始”）
  3. 客户端 → 服务器：确认接收（ACK 报文，“我知道了，开始通信”）
• 应用场景：对可靠性要求高的场景，如文件下载、登录认证（QQ / 微信登录）、邮件传输。

2. UDP（用户数据报协议）

• 特点：
  • 无连接：通信前无需建立连接，直接发送数据
  • 不可靠传输：不保证数据到达，可能丢失、失序
  • 数据报：数据以固定最大长度的 “报文” 形式传输
  • 效率高：协议简单，开销小，实时性好
• 应用场景：对实时性要求高的场景，如 QQ 聊天消息、语音 / 视频通话、游戏数据、广播 / 组播（如电子教室屏幕广播）

3. TCP 与 UDP 对比表

五、Socket 网络编程（Linux）

1. Socket 概念

• 定义：Socket（套接字）是 Linux 系统提供的网络通信接口，本质是一种 “特殊文件”，通过文件描述符操作，实现用户空间与内核网络功能的交互。
• 核心作用：封装网络协议细节，提供简单的编程接口，用于创建网络通信端点

2. 相关函数

（1）创建 Socket：socket()

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

• 功能：创建一个网络通信端点，返回文件描述符（fd）
• 参数：
  • domain：协议族（通信范围）
    • AF_INET：IPv4 协议（最常用）
    • AF_INET6：IPv6 协议
    • AF_UNIX：本地套接字（同一主机进程通信）
  • type：套接字类型
    • SOCK_STREAM：流式套接字（对应 TCP 协议，可靠连接）
    • SOCK_DGRAM：数据报套接字（对应 UDP 协议，无连接）
  • protocol：具体协议，通常设为 0（由系统根据type自动选择）
• 返回值：成功返回非负文件描述符（socket fd），失败返回 - 1（需检查errno）

（2）绑定地址：bind()（服务器端）

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 功能：将 socket 与特定 IP 地址和端口号绑定（服务器必须绑定，客户端可选）
• 参数：
  • sockfd：socket()返回的文件描述符
  • addr：指向地址结构的指针（需根据协议族选择对应结构）
    • IPv4 使用sockaddr_in结构：

      struct sockaddr_in {
          sa_family_t    sin_family;  // 地址族（AF_INET）
          in_port_t      sin_port;    // 端口号（网络字节序）
          struct in_addr sin_addr;    // IP地址（网络字节序）
      };
      struct in_addr {
          in_addr_t s_addr;  // 32位IP地址（网络字节序）
      };
      

  • addrlen：地址结构的长度（如sizeof(struct sockaddr_in)）
• 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1

（3）监听连接：listen()（服务器端）

int listen(int sockfd, int backlog);

• 功能：将 socket 设置为监听状态，等待客户端连接请求
• 参数：
  • sockfd：绑定后的 socket fd
  • backlog：等待连接队列的最大长度（超过则拒绝新连接，防止 DoS 攻击）
• 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1

（4）接受连接：accept()（服务器端）

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• 功能：从监听队列中提取一个客户端连接请求，完成 TCP 三次握手，返回新的通信 socket
• 参数：
  • sockfd：监听状态的 socket fd
  • addr：用于存储客户端地址信息的结构（输出参数）
  • addrlen：地址结构长度的指针（值 - 结果参数，需初始化）
• 返回值：成功返回新的通信 socket fd（用于后续数据收发），失败返回 - 1

（5）发起连接：connect()（客户端）

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 功能：客户端向服务器发起连接请求（触发 TCP 三次握手）
• 参数：
  • sockfd：客户端 socket fd
  • addr：服务器的地址结构（含 IP 和端口）
  • addrlen：地址结构长度
• 返回值：成功返回 0（连接建立），失败返回 - 1

3. 辅助函数（地址转换）

（1）字节序转换（网络字节序为大端）

• uint32_t htonl(uint32_t hostlong)：主机 32 位字节序→网络字节序（用于 IP 地址）
• uint16_t htons(uint16_t hostshort)：主机 16 位字节序→网络字节序（用于端口号）
• uint32_t ntohl(uint32_t netlong)：网络 32 位字节序→主机字节序
• uint16_t ntohs(uint16_t netshort)：网络 16 位字节序→主机字节序

（2）IP 地址转换

• in_addr_t inet_addr(const char *cp)：将点分十进制 IP 字符串（如"192.168.0.1"）转换为网络字节序的 32 位整数
• char *inet_ntoa(struct in_addr in)：将网络字节序的 IP 地址转换为点分十进制字符串

4. 端口号

• 作用：标识同一主机上的不同网络进程（IP 标识主机，端口标识进程）
• 范围：
  • 0~1023：知名端口（系统保留，如 HTTP 用 80，FTP 用 21）
  • 1024~49151：注册端口（用于特定应用）
  • 49152~65535：动态端口（临时分配）
• 注意：端口号需转换为网络字节序（用htons()）

六、TCP C/S 通信模型完整流程

TCP 的 C/S（客户端 / 服务器）模型是网络通信中最经典的模式，其核心是 “客户端主动发起连接，服务器被动接受连接”，整个流程严格遵循 TCP 的面向连接特性

• 基于TCP客户——服务器程序的套接字函数

1. 服务器端流程（被动方）

服务器的核心任务是 “等待并处理客户端的连接请求”，具体步骤如下：

1. 创建 socket（初始化通信端点）
   调用socket()函数创建一个套接字，相当于 “买了一部电话”，用于后续的网络通信

   int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字
   if (listen_fd == -1) {
       perror("socket failed");
       exit(1);
   }
   

2. 绑定地址（绑定 IP 和端口）
   调用bind()函数将服务器的 IP 地址和端口号与套接字绑定，相当于 “给电话插卡（绑定手机号）”，让客户端能找到自己
   示例代码片段：

   struct sockaddr_in server_addr;
   server_addr.sin_family = AF_INET;                  // IPv4协议
   server_addr.sin_port = htons(8080);                // 端口号（转换为网络字节序）
   server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");// 绑定所有本地IP（允许任意网卡接入）
   
   if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
       perror("bind failed");
       close(listen_fd);
       exit(1);
   }
   

    

   注：0.0.0.0表示绑定本地所有可用 IP，方便多网卡场景下的客户端连接。

3. 设置监听（进入待机状态）
   调用listen()函数将套接字设为监听状态，相当于 “电话开机并处于待机模式，等待来电”，同时设置等待连接队列的最大长度

   if (listen(listen_fd, 5) == -1) { // 等待队列长度为5（最多同时处理5个未完成连接）
       perror("listen failed");
       close(listen_fd);
       exit(1);
   }
   

4. 接受连接（接听来电）
   调用accept()函数从监听队列中提取一个客户端的连接请求，完成 TCP 三次握手，相当于 “接听电话”，并返回一个新的套接字（专门用于与该客户端通信）

   struct sockaddr_in client_addr;
   socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
   int conn_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
   if (conn_fd == -1) {
       perror("accept failed");
       close(listen_fd);
       exit(1);
   }
   // 打印客户端信息
   printf("客户端已连接：IP=%s，端口=%d\n", 
          inet_ntoa(client_addr.sin_addr), 
          ntohs(client_addr.sin_port));
   

    

   注：listen_fd始终用于监听新连接，conn_fd用于与当前客户端的具体通信。

5. 数据通信（通话过程）
   通过read()/write()函数（或recv()/send()）与客户端收发数据，相当于 “通话中交流信息”。
   （接收客户端消息并回复）

   char buf[1024];
   ssize_t n = read(conn_fd, buf, sizeof(buf)-1); // 接收客户端数据
   if (n > 0) {
       buf[n] = '\0';
       printf("收到客户端消息：%s\n", buf);
       write(conn_fd, "消息已收到", 9); // 回复客户端
   }
   

6. 关闭连接（挂断电话）
   通信结束后，调用close()函数关闭套接字，释放资源，相当于 “挂断电话”。
   示例代码片段：

   close(conn_fd);       // 关闭与当前客户端的通信套接字
   close(listen_fd);     // 服务器退出时，关闭监听套接字
   

2. 客户端流程（主动方）

客户端的核心任务是 “主动发起连接并与服务器通信”，具体步骤如下：

1. 创建 socket（初始化通信端点）
   同样调用socket()函数创建套接字，相当于 “买一部电话”。

   int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   if (client_fd == -1) {
       perror("socket failed");
       exit(1);
   }
   

2. 发起连接（拨打服务器电话）
   调用connect()函数向服务器发送连接请求，触发 TCP 三次握手，相当于 “拨打服务器的电话号码”。

   struct sockaddr_in server_addr;
   server_addr.sin_family = AF_INET;
   server_addr.sin_port = htons(8080);                // 服务器端口（需与服务器绑定的一致）
   server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// 服务器IP（本地测试用127.0.0.1）
   
   if (connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
       perror("connect failed");
       close(client_fd);
       exit(1);
   }
   

    

   注：客户端一般不需要调用bind()绑定本地地址，系统会自动分配临时 IP 和端口。

3. 数据通信（通话过程）
   通过read()/write()与服务器收发数据，流程与服务器端类似。
   （向服务器发送消息并接收回复）：

   write(client_fd, "Hello Server", 12); // 发送消息给服务器
   char buf[1024];
   ssize_t n = read(client_fd, buf, sizeof(buf)-1); // 接收服务器回复
   if (n > 0) {
       buf[n] = '\0';
       printf("收到服务器回复：%s\n", buf);
   }
   

4. 关闭连接（挂断电话）
   通信结束后，调用close()关闭套接字。

   close(client_fd);
   

3. 流程对比总结

七、网络通信模式

网络通信模式是指不同设备 / 进程之间数据交互的架构设计，常见模式包括 C/S、B/S 和 P2P，各自适用于不同场景。

1. C/S 模式（Client/Server，客户端 / 服务器模式）

• 定义：由客户端（用户侧软件）和服务器（中心节点）组成，客户端主动向服务器发送请求，服务器集中处理并返回结果
• 结构示例：QQ、微信、数据库客户端（如 MySQL Workbench）
• 工作流程：
  客户端安装专用软件 → 向服务器发起连接 → 发送请求（如 “获取好友列表”） → 服务器处理请求 → 返回数据 → 客户端展示结果。
• 优点：
  • 服务器集中管理数据，安全性高（如用户信息加密存储在服务器）；
  • 客户端功能定制化强（如 QQ 的离线消息、文件传输等专用功能）
• 缺点：
  • 客户端需单独安装和更新（如 QQ 需下载安装包）；
  • 服务器压力大（所有请求集中处理，高并发时需扩容）

2. B/S 模式（Browser/Server，浏览器 / 服务器模式）

• 定义：基于浏览器和 Web 服务器的架构，客户端无需安装专用软件，通过浏览器访问服务器提供的网页服务
• 结构示例：百度搜索、在线商城（如淘宝）、企业官网
• 工作流程：
  用户打开浏览器 → 输入网址（如www.taobao） → 浏览器向 Web 服务器发送 HTTP 请求 → 服务器返回网页数据 → 浏览器解析并展示页面
• 优点：
  • 客户端无需安装（通过浏览器即可访问），跨平台性好（Windows、Mac、手机浏览器通用）；
  • 维护成本低（只需更新服务器端代码，客户端自动同步）
• 缺点：
  • 功能受浏览器限制（复杂交互体验不如专用客户端）；
  • 依赖网络稳定性（网页加载速度受网速影响）

3. P2P 模式（Peer-to-Peer，点对点模式）

• 定义：节点（Peer）之间直接通信，无需中心服务器转发，每个节点既是客户端也是服务器
• 结构示例：早期的文件共享软件（如 BitTorrent）、某些即时通讯工具（如部分局域网聊天软件）
• 工作流程：
  节点 A 加入 P2P 网络 → 发现节点 B 在线 → 直接向节点 B 发送请求（如 “下载某文件片段”） → 节点 B 直接返回数据
• 优点：
  • 去中心化，服务器压力小（无需中心节点转发数据）；
  • 扩展性好（节点越多，总带宽越高，如下载速度可能随节点增加而提升）
• 缺点：
  • 节点管理复杂（需维护节点列表，如 “谁在线”）；
  • 安全性较低（节点直接通信，易受恶意节点攻击）

4. 三种模式对比表

通过理解这三种模式的差异，可根据实际需求选择合适的架构：

企业内部管理系统（需高安全性）适合 C/S 模式；

公开信息查询平台（需便捷访问）适合 B/S 模式；

大文件分发（需高扩展性）适合 P2P 模式

本文标签： 网络 Linux