跳到主要内容

7. 网络编程

由于计算机网络的迅速发展和互联网的广泛应用。在互联网的发展过程中，人们需要开发各种类型的网络应用程序来满足不同的需求，例如电子邮件、文件传输、网页浏览器等等。 而这些网络应用程序需要通过计算机网络进行数据传输和处理，因此需要有一种标准的网络编程模型和工具来支持它们的开发。Linux作为一种自由和开放的操作系统，拥有丰富的网络编程资源和工具，因此成为了网络编程的重要平台之一。

7.1 TCP/IP协议​

  • TCP/IP协议是为了解决不同系统的计算机通信而提出的一个标准，不同系统的计算机采用了同一种协议后，就能相互进行系统通信，从而建立网络连接，实现资源共享和网络通信。

7.1.1 分层结构​

  • 网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族，比如TCP/IP，是一组不同层次上的多个协议的组合。TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统：

  • 应用层（Application Layer）：应用层是TCP/IP协议栈的最顶层，提供了应用程序与网络之间的接口。它包含了各种应用协议，如HTTP、FTP、SMTP等。应用层负责处理特定应用程序的通信需求，为应用程序提供数据交换的能力。

  • 传输层（Transport Layer）：传输层负责在网络中的主机之间提供端到端的通信。它使用TCP和UDP协议来实现数据的可靠传输和流控制。具体功能如下：

    • TCP协议：提供可靠的、面向连接的通信。它负责数据的分段、序列号、重传机制以及拥塞控制。
    • UDP协议：提供不可靠的、面向无连接的通信。它更加轻量级，不提供数据的可靠性和有序性，适用于一些实时性要求较高的应用。

  • 网络层（Network Layer）：网络层负责在网络中的主机之间提供数据包的传输和路由选择。它使用IP协议来实现分组的传输和寻址。具体功能如下：

    • IP协议：定义了互联网中数据包的格式和传输方式。它使用IP地址标识网络上的主机，并通过路由选择算法确定数据包的传输路径。

  • 链路层（Link Layer）：链路层负责在物理网络中传输数据帧。它与网络适配器（网卡）直接交互，处理物理层的细节。具体功能如下：以太网（Ethernet）是最常用的链路层协议，它定义了数据帧的格式、介质访问控制和地址解析等。

  • 不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做TCP段，在网络层叫做 IP 数据报，在链路层叫做以太网帧。

  • 在主机发送端，从传输层开始会把上一层的数据加上一个报头形成本层的数据，这个过程叫数据封装，在主机接收端，从最下层开始，每一层数据就会去掉首部信息，该过程叫数据解封。

7.2 协议簇和地址簇​

  • 协议簇（Protocol Family）是指一组协议的集合，而地址簇（Address Family）是指网络地址的表示方式。在计算机网络编程中，常用的协议簇和地址簇有以下几种：

7.2.1 协议簇​

  • IPv4协议簇：包括TCP、UDP、ICMP等协议，使用32位的IP地址标识网络中的主机和路由器。
  • IPv6协议簇：与IPv4类似，但使用128位的IP地址。
  • Unix域协议簇：用于在同一台计算机上的进程间通信，不需要通过网络传输数据。

7.2.2 地址簇​

  • IPv4地址簇：使用32位的二进制数表示，通常以点分十进制形式表示，如192.168.0.1。
  • IPv6地址簇：使用128位的二进制数表示，通常以冒号分隔的16进制数表示，如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
  • Unix域地址簇：使用文件路径表示，如/tmp/my_socket。
  • 在套接字编程中，常常需要指定协议簇和地址簇，以便创建相应的套接字。常用的协议簇常量有AF_INET（IPv4协议簇）、AF_INET6（IPv6协议簇）、AF_UNIX（Unix域协议簇）等；
  • 常用的地址簇常量有PF_INET（IPv4地址簇）、PF_INET6（IPv6地址簇）、PF_UNIX（Unix域地址簇）等。

7.3 套接字​

7.3.1 TCP套接字编程的基本步骤​

  • TCP套接字编程的基本步骤在客户端和服务端的实现中有所不同。下面分别介绍客户端和服务端的基本步骤：
客户端​
  1. 创建套接字：使用socket函数创建一个TCP套接字。该函数返回一个文件描述符，用于后续的套接字操作。
  2. 连接服务器：使用connect函数连接服务器端。该函数需要指定服务器端的IP地址和端口号。
  3. 进行通信：使用套接字进行数据的发送和接收。可以使用send和recv函数进行数据的发送和接收。在发送数据时，需要指定数据的长度和目标地址；在接收数据时，需要指定缓冲区的长度和来源地址。
  4. 关闭套接字：使用close函数关闭套接字，释放资源。
服务端​
  1. 创建套接字：使用socket函数创建一个TCP套接字。该函数返回一个文件描述符，用于后续的套接字操作。
  2. 绑定套接字：使用bind函数将套接字与本地IP地址和端口号绑定。如果不需要指定本地IP地址和端口号，则可以省略此步骤。
  3. 监听套接字：使用listen函数将套接字设为监听状态，等待客户端的连接请求。listen函数指定了队列中等待连接的最大数量。
  4. 接受连接：使用accept函数等待客户端的连接请求，如果有连接请求则接受该连接，并返回一个新的套接字用于与客户端进行通信。
  5. 进行通信：使用新的套接字进行数据的发送和接收。可以使用send和recv函数进行数据的发送和接收。在发送数据时，需要指定数据的长度和目标地址；在接收数据时，需要指定缓冲区的长度和来源地址。
  6. 关闭套接字：使用close函数关闭套接字，释放资源。
  7. 需要注意的是，客户端和服务端在进行通信时，需要遵循一定的通信协议。通常采用的是一种类似于HTTP的请求-响应协议，即客户端发送请求给服务器端，服务器端接收并处理请求，并将处理结果发送给客户端。