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Linux 入门十一：Linux 网络编程

news 来源：原创 2025/4/22 5:31:09

一、概述

1. 网络编程基础

网络编程是通过网络应用编程接口（API）编写程序，实现不同主机上进程间的信息交互。它解决的核心问题是：如何让不同主机上的程序进行通信。

2. 网络模型：从 OSI 到 TCP/IP

  • OSI 七层模型（理论模型）：
    物理层（传输比特流）→ 数据链路层（组帧、差错控制）→ 网络层（路由选择，IP 协议）→ 传输层（端到端通信，TCP/UDP）→ 会话层（建立会话）→ 表示层（数据格式转换）→ 应用层（HTTP、FTP 等具体应用）。
    特点：层次清晰，适合理论分析，但实际开发中较少直接使用。

  • TCP/IP 四层模型（实用模型）：
    网络接口层（对应 OSI 下两层，处理硬件通信）→ 网络层（IP 协议，寻址和路由）→ 传输层（TCP/UDP，端到端数据传输）→ 应用层（HTTP、FTP、SMTP 等，具体业务逻辑）。
    特点：简化层次，广泛应用于实际开发。

3. 常用网络协议速查表

协议名称英文全称核心功能典型场景
TCP传输控制协议面向连接、可靠传输网页浏览（HTTP）、文件传输（FTP）
UDP用户数据报协议无连接、不可靠传输视频直播、DNS 查询
IP网际协议网络层寻址与路由所有网络通信的基础
ICMP互联网控制消息协议网络状态检测（如 ping）故障排查（ping、traceroute）
FTP文件传输协议高效传输文件服务器文件共享
SMTP简单邮件传输协议发送电子邮件邮件服务器通信

二、网络通信三要素：IP、端口、套接字

1. IP 地址：主机的 “门牌号”

  • 定义：32 位（IPv4）或 128 位（IPv6）的二进制数，唯一标识网络中的主机。
    • IPv4 示例：192.168.1.1（点分十进制）
    • IPv6 示例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334（十六进制）
  • 查看本机 IP：终端输入 ifconfig（Linux）或 ipconfig（Windows）。
  • 特殊 IP：
    • 127.0.0.1：本地回环地址，用于测试本机网络程序。
    • 0.0.0.0：监听所有可用网络接口。
    • 255.255.255.255：广播地址，向同一网络内所有主机发送数据。

2. 端口号：程序的 “房间号”

  • 定义：16 位无符号整数（0-65535），标识同一主机上的不同进程。
  • 分类：
    • 保留端口（0-1023）：系统专用（如 80 端口用于 HTTP，22 端口用于 SSH）。
    • 注册端口（1024-49151）：分配给特定服务（如 3306 端口用于 MySQL）。
    • 动态端口（49152-65535）：程序运行时动态申请，避免冲突。
  • 注意：编程时避免使用保留端口，可选择 1024 以上未被占用的端口（如 8888、3333）。

3. 套接字（Socket）：通信的 “通道”

  • 定义：一种特殊的文件描述符，用于跨网络或本地进程通信。

  • 三要素：IP 地址 + 端口号 + 传输层协议（TCP/UDP）。

  • 类型：

    1. 流式套接字（SOCK_STREAM）：基于 TCP，可靠、面向连接（如打电话，需先接通）。
    2. 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：基于 UDP，无连接、不可靠（如发短信，无需确认对方是否在线）。
    3. 原始套接字（SOCK_RAW）：直接访问底层协议（如 IP/ICMP），用于网络开发或抓包工具。

  • 地址结构体：

    // IPv4 地址结构体（常用）
struct sockaddr_in {sa_family_t sin_family;   // 地址族，固定为 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）in_port_t sin_port;       // 端口号（网络字节序，需用 htons 转换）struct in_addr sin_addr;  // IP 地址（网络字节序，可用 inet_addr 转换字符串）
};// 通用地址结构体（需强制转换使用）
struct sockaddr {sa_family_t sa_family;   // 地址族char sa_data[14];        // 具体地址数据（不同协议族格式不同）
};

三、TCP 编程：可靠的 “快递服务”

1. TCP 核心特点

  • 面向连接：通信前需先建立连接（三次握手），通信后释放连接（四次挥手）。
  • 可靠传输：通过确认机制、重传机制保证数据有序且无丢失。
  • 流式传输：数据像水流一样连续发送，无边界（需应用层自定义消息边界）。

2. TCP 服务器开发步骤（逐步解析）

步骤 1：创建套接字（socket）
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

  • 参数：
    • domain：协议族，IPv4 用 AF_INET，IPv6 用 AF_INET6，本地通信用 AF_UNIX。
    • type：套接字类型，TCP 用 SOCK_STREAM，UDP 用 SOCK_DGRAM。
    • protocol：具体协议，通常为 0（自动选择对应类型的默认协议，如 TCP 选 IPPROTO_TCP）。
  • 返回值：成功返回套接字描述符（文件描述符），失败返回 -1。
  • 示例： 
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_fd == -1) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);
}
步骤 2：绑定地址（bind）
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

  • 作用：将套接字与本地 IP 地址和端口号绑定，让客户端知道如何连接。
  • 参数：
    • sockfd：步骤 1 创建的套接字描述符。
    • addr：地址结构体指针（需将 sockaddr_in 强制转换为 sockaddr）。
    • addrlen：地址结构体的长度（sizeof(struct sockaddr_in)）。
  • 示例： 
    struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;           // IPv4 协议族
server_addr.sin_port = htons(8888);         // 端口号（htons 转换为网络字节序）
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;   // 监听所有本地 IP（0.0.0.0）if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);
}
  • 易错点：端口号必须用 htons 转换为网络字节序（大端模式），否则无法正确识别。
步骤 3：监听连接（listen）
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

  • 作用：将套接字设置为被动监听状态，等待客户端连接。
  • 参数：
    • sockfd：已绑定的套接字描述符。
    • backlog：等待连接的最大队列长度（通常设为 5-10，视并发需求而定）。
  • 示例： 
    if (listen(server_fd, 5) == -1) {perror("listen failed");exit(EXIT_FAILURE);
}
步骤 4：接受连接（accept）
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

  • 作用：阻塞等待客户端连接，成功后返回新的套接字描述符（用于与该客户端通信）。
  • 参数：
    • sockfd：监听套接字描述符。
    • addr：用于存储客户端地址的结构体指针。
    • addrlen：客户端地址结构体的长度（传入前需初始化，传出时自动填充实际长度）。
  • 示例： 
    struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
if (client_fd == -1) {perror("accept failed");exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Client connected: IP %s, Port %d\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),  // 将网络字节序 IP 转换为字符串ntohs(client_addr.sin_port));     // ntohs 将端口号转换为主机字节序
  • 关键点：accept 返回的新套接字 client_fd 专门用于与当前客户端通信，原 server_fd 继续监听其他客户端。
步骤 5：数据交互（send/recv）
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

  • send 作用：向连接的套接字发送数据（TCP 保证可靠传输）。
    • flags 通常设为 0（默认模式）。
    • 返回值：成功发送的字节数，失败返回 -1。
  • recv 作用：从连接的套接字接收数据。
    • 返回值：成功接收的字节数，0 表示对方关闭连接，-1 表示失败。
  • 示例： 
    char buffer[1024] = "Hello, Client!";
// 向客户端发送数据
send(client_fd, buffer, strlen(buffer), 0);// 接收客户端数据
memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
ssize_t recv_len = recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0);
if (recv_len > 0) {printf("Received: %s\n", buffer);
}
步骤 6：关闭连接（close）
#include <unistd.h>
int close(int fd);

  • 作用：释放套接字资源，触发 TCP 四次挥手释放连接。
  • 示例： 
    close(client_fd);  // 关闭与客户端的通信套接字
close(server_fd);  // 关闭监听套接字

3. TCP 客户端开发步骤（简洁版）

  1. 创建套接字（同服务器）： 
    int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  2. 连接服务器（connect）： 
    struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8888);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.100");  // 服务器 IPif (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("connect failed");exit(EXIT_FAILURE);
}
  3. 数据交互（send/recv，同服务器）。
  4. 关闭连接（close）。

四、UDP 编程：轻量的 “明信片” 传输

1. UDP 核心特点

  • 无连接：无需提前建立连接，直接发送数据报（类似发短信，无需等待对方确认）。
  • 不可靠：不保证数据到达、不保证顺序、不处理重复。
  • 高效：省去连接开销，适合实时性要求高但允许少量丢包的场景（如视频通话、DNS）。

2. UDP 服务器开发步骤（对比 TCP）

步骤 1：创建套接字（socket）
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  // 类型为 SOCK_DGRAM
步骤 2：绑定地址（bind，同 TCP）

需绑定端口号（可选绑定 IP，通常用 INADDR_ANY 监听所有接口）。

步骤 3：数据交互（sendto/recvfrom）
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

  • sendto 作用：向指定地址发送数据报（需包含目标 IP 和端口）。
  • recvfrom 作用：接收数据报，同时获取发送方的地址（用于回复）。
  • 示例： 
    struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
char buffer[1024];// 接收客户端数据（含客户端地址）
ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0,(struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
if (recv_len > 0) {printf("Received from %s:%d: %s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr),ntohs(client_addr.sin_port), buffer);
}// 回复客户端（用接收到的地址发送）
sendto(sockfd, "Hello from server", 18, 0,(struct sockaddr *)&client_addr, client_addr_len);
步骤 4：关闭套接字（close）

同 TCP，直接关闭即可（无连接释放过程）。

3. UDP 客户端开发步骤

  1. 创建套接字（socket）。
  2. 可选绑定端口（若不绑定，系统自动分配临时端口）。
  3. 发送 / 接收数据（sendto/recvfrom，需指定服务器地址）。
  4. 关闭套接字（close）。

五、高级编程：处理多连接与性能优化

1. IO 多路复用：select 函数（解决单线程多连接阻塞问题）

核心作用

允许单线程同时监听多个套接字，当任意一个套接字就绪（可读 / 可写 / 异常）时，触发响应。
适用场景：客户端数量多但活动连接少的场景（如聊天服务器）。

函数原型
#include <sys/select.h>
int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,const struct timeval *timeout);

  • 参数：
    • maxfd：监听的最大文件描述符 + 1（确保包含所有监听的 fd）。
    • readfds：可读事件集合（监听哪些 fd 有数据可读）。
    • writefds：可写事件集合（监听哪些 fd 可以写数据）。
    • exceptfds：异常事件集合（通常用不到，设为 NULL）。
    • timeout：超时时间（NULL 表示永久阻塞，{0, 0} 表示立即返回）。
  • 返回值：就绪的文件描述符数量，0 表示超时，-1 表示错误。
使用步骤（以 UDP 服务器监听为例）
  1. 初始化 fd_set： 
    fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);          // 清空集合
FD_SET(sockfd, &read_fds);   // 将套接字添加到可读集合
  2. 计算 maxfd： 
    int maxfd = sockfd;  // 若有多个 fd，取最大值
  3. 调用 select： 
    struct timeval tv = {2, 0};  // 超时时间 2 秒
int ready_fds = select(maxfd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &tv);
if (ready_fds == -1) {perror("select error");exit(EXIT_FAILURE);
} else if (ready_fds == 0) {printf("Timeout, no data received\n");continue;
}
  4. 检查就绪的 fd： 
    if (FD_ISSET(sockfd, &read_fds)) {// 处理数据接收recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, &client_addr, &client_addr_len);
}

2. 非阻塞 IO：fcntl 函数（避免阻塞等待）

核心作用

将套接字设置为非阻塞模式，使 recv/accept 等操作立即返回，配合轮询或事件驱动处理多任务。

函数原型
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */);

  • 设置非阻塞模式： 
    int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL);  // 获取当前文件状态标志
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);  // 添加非阻塞标志
  • 应用场景：
    • 客户端同时发送和接收数据（如聊天程序边输入边接收消息）。
    • 服务器需要处理大量并发连接，避免单个连接阻塞整个程序。

六、实战：简单 TCP 服务器与客户端（完整代码）

1. TCP 服务器代码（server.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define PORT 8888
#define MAX_CLIENTS 5int main() {// 1. 创建监听套接字int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_fd < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 绑定地址struct sockaddr_in server_addr;server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(PORT);server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 开始监听if (listen(server_fd, MAX_CLIENTS) < 0) {perror("listen failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d...\n", PORT);while (1) {// 4. 接受客户端连接struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);if (client_fd < 0) {perror("accept failed");continue;}// 5. 与客户端通信char buffer[1024] = {0};ssize_t recv_len = recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0);if (recv_len > 0) {printf("Received: %s\n", buffer);send(client_fd, "Message received", 16, 0);}// 6. 关闭客户端连接close(client_fd);}close(server_fd);return 0;
}

2. TCP 客户端代码（client.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define PORT 8888
#define SERVER_IP "127.0.0.1"int main() {// 1. 创建客户端套接字int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (client_fd < 0) {perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 连接服务器struct sockaddr_in server_addr;server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(PORT);if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {perror("invalid server IP address");exit(EXIT_FAILURE);}if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {perror("connection failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 发送数据给服务器char *message = "Hello, Server!";send(client_fd, message, strlen(message), 0);// 4. 接收服务器回复char buffer[1024] = {0};ssize_t recv_len = recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0);if (recv_len > 0) {printf("Received from server: %s\n", buffer);}// 5. 关闭连接close(client_fd);return 0;
}

3. 编译与运行

  1. 编译服务器： 
    gcc server.c -o server
./server  # 启动服务器
  2. 编译客户端： 
    gcc client.c -o client
./client  # 启动客户端（输出服务器回复）

七、常见易错点与最佳实践

1. 字节序转换：必须使用 htons/htonl/ntohs/ntohl

  • 原因：不同主机可能采用小端（x86）或大端（ARM）字节序，网络协议规定使用大端（网络字节序）。
  • 错误示例：直接赋值端口号 server_addr.sin_port = 8888;（未用 htons 转换，导致端口错误）。
  • 正确做法：server_addr.sin_port = htons(8888);。

2. 端口冲突：绑定前检查端口是否被占用

  • 检查命令：netstat -tunlp | grep 端口号（查看端口占用情况）。
  • 解决方案：更换端口号，或确保上次运行的程序已正确关闭（避免 TIME_WAIT 状态残留）。

3. IP 地址转换：inet_addr 与 inet_pton 的区别

  • inet_addr：将点分十进制字符串转换为网络字节序（IPv4 专用，过时函数，建议用 inet_pton）。
  • inet_pton：支持 IPv4 和 IPv6，返回值更安全（成功返回 1，无效地址返回 0，错误返回 -1）。

4. 缓冲区溢出：固定缓冲区大小需谨慎

  • 风险：接收数据时未限制长度可能导致缓冲区溢出（如 recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0); 是安全的，而 recv(client_fd, buffer, 1024, 0); 若缓冲区不足 1024 字节则危险）。
  • 最佳实践：缓冲区大小固定为已知值，或使用动态内存分配（如 malloc）。

八、拓展学习：从入门到进阶

1. 必学工具

  • Wireshark：网络抓包工具，分析 TCP 三次握手、UDP 数据报格式。
  • netstat / ss：查看网络连接、端口状态（如 netstat -an 显示所有连接）。
  • telnet / nc：测试端口连通性（如 telnet 127.0.0.1 8888 检查服务器是否运行）。

2. 进阶知识点

  • HTTP 协议解析：基于 TCP 实现简单 Web 服务器（处理 GET/POST 请求）。
  • 多线程 / 多进程服务器：使用 pthread 或 fork 处理并发连接（解决 select 处理海量连接的性能瓶颈）。
  • IPv6 支持：修改地址结构体为 sockaddr_in6，协议族用 AF_INET6，实现跨 IPv4/IPv6 的兼容性。

3. 学习资源

  • 《UNIX 网络编程》：经典教材，深入理解套接字编程与协议细节。
  • Linux 官方文档：man 2 socket 查看系统调用手册，man 7 ip 了解 IP 协议细节。

总结

Linux 网络编程是实现跨主机通信的核心技术，从基础的 TCP/UDP 套接字编程，到处理并发的 select/fcntl 高级技巧，需要逐步实践和调试。初学者应先掌握 TCP 服务器 / 客户端的基本流程，理解字节序、地址绑定等核心概念，再通过实战项目（如简易聊天室、文件传输工具）巩固知识。记住，网络编程的关键在于理解协议原理和处理边界条件（如连接中断、数据丢失），多写代码、多抓包分析，才能真正掌握这门技术。

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