一、概述

1、OSI模型

OSI 模型（Open Systems Interconnection Reference Model，开放系统互连参考模型）是国际标准化组织ISO提出的网络通信框架。它把网络通信过程划分为7 层，便于理解、设计和排查网络问题。

从下到上依次是：

1. 物理层：负责比特流在物理介质中的传输，如网线、光纤、电压、接口。
2. 数据链路层：负责相邻节点之间的可靠传输，以“帧”为单位，典型协议/技术有 Ethernet、MAC 地址、交换机。
3. 网络层：负责路径选择和逻辑寻址，以“包/分组”为单位，典型协议有 IP、ICMP、路由器。
4. 传输层：负责端到端的数据传输，提供可靠传输、流量控制等，典型协议有 TCP、UDP，使用端口号。
5. 会话层：负责建立、管理和终止通信会话。
6. 表示层：负责数据格式转换、加密、解密、压缩等。
7. 应用层：直接为用户提供网络服务，如 HTTP、HTTPS、DNS、FTP、SMTP。

一个常见记忆顺序是：物、数、网、传、会、表、应

2、TCP/IP 模型

TCP/IP 模型是互联网实际使用的网络通信体系结构，得名于其中最重要的两个协议：

• TCP：传输控制协议
• IP：网际协议

它通常分为4 层：

1. 网络接口层：负责数据在具体网络介质上的传输，包括网卡、以太网、Wi-Fi 等。
2. 网际层：负责逻辑寻址和路由转发，核心协议是IP，还包括 ICMP、ARP 等。
3. 传输层：负责端到端通信，主要包括TCP和UDP。
4. 应用层：为用户提供网络服务，包括 HTTP、HTTPS、DNS、FTP、SMTP 等。

3、IP地址的组成

IP地址分为 IPv4 地址和 IPv6 地址，IP地址通常由网络号和主机号两部分组成。

IPv4地址：长32 位，通常写成 4 个十进制数，例：192.168.1.10 每部分范围是0～255

IPv6地址：长128 位，通常写成 8 组十六进制数，

例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

4、常用名词解释

4.1. Socket 套接字

Socket 是操作系统内核提供的一种网络通信接口和通信端点。它把网络通信抽象成类似文件的操作，因此可以使用：

• read/write
• send/recv
• close

等接口进行数据收发。

Linux中使用 socket() 函数 创建套接字，函数返回一个文件描述符（应用程序访问这个端点的句柄）

常见类型：

• SOCK_STREAM 面向连接、可靠传输，通常对应 TCP
• SOCK_DGRAM 无连接、数据报传输，通常对应 UDP
• SOCK_RAW 原始套接字，可直接操作较底层的协议数据

socket函数使用：

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // TCP socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // UDP

4.2 IP地址+端口号

网络通信中，通常需要 IP地址+端口号 来确定一个通信端口。

IP地址用来解决数据要发送哪个主机，端口号用来解决数据要传给主机上的哪个程序。

一个 IP 地址上可以同时运行多个网络程序，端口号用来区分它们。

IP + 端口的完整含义：

例如：192.168.1.10:8080

表示：IP：192.168.1.10 端口：8080

4.3 端口号的范围

端口号是一个16 位无符号整数，所以理论范围是：0 ~ 65535，不过0通常具有特殊含义，实际使用的端口通常从1开始，故端口号范围为 1 ~ 65535。

常见端口号划分：

• 一个端口同一时间通常只能被一个程序绑定，但具体还取决于 Socket 的绑定选项。
• 端口号不是应用程序本身，而是应用程序绑定或连接的通信入口。

4.4 字节序

4.4.1概述

计算机中的数据通常以多个字节表示，例如一个 32 位整数：

0x12345678

它占 4 个字节。不同 CPU 在内存中排列这些字节的顺序可能不同，而排列的顺序称为字节序。

• 大端存储

大端模式中，高位字节存放在低地址：

内存地址： 低 ----------------> 高 数据字节： 12 34 56 78

这称为Big Endian。

• 小端存储

小端模式中，低位字节存放在低地址：

内存地址： 低 ----------------> 高 数据字节： 78 56 34 12

这称为Little Endian。

4.4.2 网络字节序

TCP/IP 协议规定网络协议字段使用大端格式

4.4.3主机字节序

主机字节序是当前主流计算机 CPU 使用的字节序，通常使用小端存储。

4.4.4转换字节序

如果不同主机直接把整数发给对方，可能出现字节顺序不一致。

例如：

发送端发送整数：0x12345678

小端主机在内存中可能存成：78 56 34 12

而网络协议规定传输时使用大端：12 34 56 78

如果不转换，接收方可能把它解析成完全不同的数值。

常用转换函数：

uint16_t htons(uint16_t hostshort); uint16_t ntohs(uint16_t netshort); uint32_t htonl(uint32_t hostlong); uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

含义：

h = host，主机；to = to，转换到；n = network，网络；s = short，16 位；l = long，32 位

二、UDP

1、概述

UDP（User Datagram Protocol）：用户数据报协议，是 TCP/IP 模型传输层中的一个无连接传输协议。它位于 IP 层之上、应用层之下，主要负责将数据从一个应用程序发送到另一个应用程序。

数据报特点： 1.数据与数据之间有边界
2.发送和接收的次数要对应
3.没有写阻塞，但发送太快，会导致数据丢失。
4.会发生读阻塞

UDP 的核心特点是：简单、开销小、速度快，但不保证可靠传输。

2、UDP 的通信过程

2.1 UDP 服务端

提供服务的一端 1个

大致过程： 1. 创建 UDP Socket
2. bind 本地 IP 和端口
3. recvfrom 接收数据
4. sendto 发送响应
5. close

2.2 UDP 客户端

使用服务的一端 可以是多个

大致过程： 1. 创建 UDP Socket
2. sendto 发送数据
3. recvfrom 接收响应
4. close

3、相关函数

3.1 socket

int socket(int domain, int type, int protocol)

功能：：程序向内核提出创建一个基于内存的套接字描述符

参数：domain 地址族，PF_INET == AF_INET ==>互联网程序
PF_UNIX == AF_UNIX ==>单机程序
type 套接字类型：
SOCK_STREAM 流式套接字 ===》TCP
SOCK_DGRAM 用户数据报套接字===>UDP
SOCK_RAW 原始套接字 ===》IP
protocol 协议 ==》0 表示自动适应应用层协议。

返回值：成功 返回申请的套接字id

失败返回-1

3.2 bind

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

功能：如果该函数在服务器端调用，则表示将参数1相关的文件描述符文件与参数2 指定的接口地址关联，用于从该接口接受数据。

参数：sockfd， 需要被绑定 ip 和端口号的套接字
my_addr ipv4 对应的地址结构体，man 7 ip

struct _sockaddr_in ///网络地址结构 { u_short sin_family; ////地址族 u_short sin_port; ///地址端口 struct in_addr sin_addr; ///地址IP };

地址端口需要大小端转换函数（htons ）；

IP地址 需要使用inet_addr( )函数将IPv4 地址字符串转换为网络字节序二进制地址。

socklen_t addrlen: 参数2 的长度。
返回值：成功 0
失败 -1

3.3 sendto

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

功能：用于UDP协议中向对方发送数据。
参数：sockfd 本地的套接字id
buff 本地的数据存储，一般是要发送的数据。
len 要发送的数据长度 （字符串通常使用strlen）
flags 要发送数据方式，0 表示阻塞发送。
dest_addr: 必选，表示要发送到的目标主机信息结构体。
addrlen ：目标地址长度。
返回值：成功 发送的数据长度
失败 -1；

3.4recvfrom

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

功能：用于UDP协议中获取对方发送的数据。
参数：sockfd 本地的套接字id
buff 要存储数据的内存区，一般是数组或者动态内存。
len 要获取的数据长度，一般是buff的大小。
flags 获取方式，0 阻塞
src_addr 可选，表示对方的地址信息结构体，
如果为NULL，表示不关心对方地址。
addrlen 对方地址信息结构体大小。
如果对方地址是NULL，则该值也为NULL。
返回值：成功 接收到的数据长度
失败 -1；

代码示例：

服务端：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> /* See NOTES */ #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <netinet/ip.h> #include <arpa/inet.h> #include <time.h> typedef struct sockaddr *(SA); int main(int argc, char **argv) { int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (-1 == sockfd) { perror("socket"); return 1; } struct sockaddr_in server, client; bzero(&server, sizeof(server)); bzero(&client, sizeof(client)); // man 7 ip server.sin_family = AF_INET; server.sin_port = htons(50000); // host to net short server.sin_addr.s_addr = inet_addr("xxx.xxx.xxx.xxx"); int ret = bind(sockfd, (SA)&server, sizeof(server)); if (-1 == ret) { perror("socket"); return 1; } while (1) { char buf[512] = {0}; socklen_t len = sizeof(client); recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (SA)&client, &len); printf("cli:%s\n", buf); time_t tm; time(&tm); sprintf(buf, "%s %s", buf, ctime(&tm)); sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&client, len); } close(sockfd); return 0; }

客户端：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> /* See NOTES */ #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <netinet/ip.h> #include <arpa/inet.h> #include <time.h> typedef struct sockaddr *(SA); int main(int argc, char **argv) { int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (-1 == sockfd) { perror("socket"); return 1; } struct sockaddr_in server; bzero(&server, sizeof(server)); // man 7 ip server.sin_family = AF_INET; server.sin_port = htons(50000); // host to net short server.sin_addr.s_addr = inet_addr("xxx.xxx.xxx.xxx"); while (1) { char buf[512] = "hello,this is udp test"; sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&server, sizeof(server)); bzero(buf, sizeof(buf)); int ret = 0; recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL); printf("ser:%s", buf); fflush(stdout); sleep(1); } }

三、TCP

1、概述

TCP（Transmission Control Protocol）是 TCP/IP 模型中的传输层协议

通信前必须先建立连接：

客户端 -> 服务器：SYN
服务器 -> 客户端：SYN + ACK
客户端 -> 服务器：ACK

这就是常说的三次握手。

通信结束后还要释放连接，通常涉及四次挥手。

2、模型

2.1 C/S 模型

基本概念 ：C = Client，客户端
S = Server，服务器

C/S 模型就是：专用客户端 <------网络------> 服务器

2.2 B/S模型

基本概念：B = Browser，浏览器
S = Server，服务器

B/S 模型就是：浏览器 <------网络------> Web 服务器

用户不需要安装专用客户端，只需要使用浏览器访问网页。

2.3 P2P模型

基本概念：P2P = Peer to Peer （对等网络 点对点网络）

P2P 中每个节点既可以下载数据，也可以上传数据，即在 P2P 网络中，每个节点既是下载者，也是上传者

典型应用：迅雷下载，部分游戏联机网络

3、特点

3.1 面向连接

TCP通信前必须三次握手，通信结束后需要四次挥手结束

3.2 可靠传输

TCP 通过以下机制尽量保证数据正确到达：

• 序号：标记数据的位置
• 确认应答：接收端确认已经收到数据
• 超时重传：数据丢失后重新发送
• 校验和：检测数据是否损坏
• 去重：丢弃重复数据
• 重排：按照序号恢复正确顺序

3.3 面向字节流

TCP 把数据看作连续的字节流，不保留发送时的数据边界，通常需要自己定义消息格式。

3.4 全双工通信

TCP 连接建立后，双方可以同时发送和接收数据

3.5 点对点通信

TCP 通常是一对一通信：

一个发送端 <---- TCP 连接 ----> 一个接收端

TCP 本身不直接支持广播和组播，通常用于单播通信

3.6 提供流量控制和拥塞控制

4、相关函数

4.1 socket

与UDP相同

4.2 bind

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

功能：如果该函数在服务器端调用，则表示将参数1相关 的文件描述符文件与参数2 指定的接口地址关联， 用于从该接口接受数据。

4.3 listen

int listen(int sockfd, int backlog);

功能：在参数1所在的套接字id上监听等待链接。

参数：sockfd 套接字

id backlog 允许三次握手的排队数。

返回值：成功 0 失败 -1；

4.4 accept

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

功能：从已经监听到的队列中取出有效的客户端链接并 接入到当前程序。

参数：sockfd 套接字id

addr 如果该值为NULL ，表示不论客户端是谁都接入。

如果要获取客户端信息，则事先定义变量 并传入变量地址，

函数执行完毕将会将客户端 信息存储到该变量中。

addrlen： 参数2的长度，如果参数2为NULL，则该值 也为NULL；

如果参数不是NULL，&len; 一定要写成len = sizeof(struct sockaddr);

返回值：成功 返回一个用于通信的新套接字id； 通信套接字 从该代码之后所有通信都基于该id

失败 -1；

4.5 recv

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

功能：从指定的sockfd套接字中以flags方式获取长度为len字节的数据到指定的buff内存中。

参数：sockfd 如果服务器则是accept的返回值的新fd 如果客户端则是socket的返回值旧fd

buff 用来存储数据的本地内存，一般是数组或者 动态内存。

len 要获取的数据长度

flags 获取数据的方式，0 表示阻塞接受。

返回值：成功 表示接受的数据长度，一般小于等于len

失败 -1；

4.6 send

int send(int sockfd, const void *msg, size_t len, int flags);

功能：从msg所在的内存中获取长度为len的数据以flags方式写入到sockfd对应的套接字中。

参数：sockfd： 如果是服务器则是accept的返回值新fd 如果是客户端则是sockfd的返回值旧fd

msg 要发送的消息

len 要发送的消息长度

flags 消息的发送方式。

返回值：成功 发送的字符长度

失败 -1；

4.7 connect

客户端 自动连接服务器。

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

功能：该函数固定有客户端使用，表示从当前主机向目标 主机发起链接请求。

参数：sockfd 本地socket创建的套接子id

addr 远程目标主机的地址信息。

addrlen: 参数2的长度。

返回值：成功 0 失败 -1；

注意：

1、服务端流程：socket---->bind---->listen---->accept---->recv---->send---->close

客户端流程：socket---->connect---->send---->recv---->close

2、三次握手中的函数：

listen() = 让内核准备接收连接 ——服务端
connect() = 让内核主动发起连接 ——客户端
accept() = 获取已经建立的连接 ——服务端
三次握手 = TCP 内核自动完成

3、服务端accep获取的为通信套接字，通信套接字已经包含客户端的地址，后续recv与send只需要使用通信套接字即可，不用像UDP一样传输地址。

实例代码：

服务端：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> /* See NOTES */ #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <netinet/ip.h> #include <time.h> #include <arpa/inet.h> typedef struct sockaddr *(SA); int main(int argc, char **argv) { // 监听套接字 int listfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (-1 == listfd) { perror("socket"); return 1; } struct sockaddr_in ser, cli; bzero(&ser, sizeof(ser)); bzero(&cli, sizeof(cli)); ser.sin_family = AF_INET; ser.sin_port = htons(50000); ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("xxx.xxx.xxx.xxx"); int ret = bind(listfd, (SA)&ser, sizeof(ser)); if (-1 == ret) { perror("bind"); return 1; } listen(listfd, 3); //最多容纳 3 个等待处理的连接 socklen_t len = sizeof(cli); //通信套接字 后续接收都用通信套接字 int conn = accept(listfd, (SA)&cli, &len); if (-1 == conn) { perror("accept"); return 1; } while (1) { char buf[256] = {0}; int ret = recv(conn, buf, sizeof(buf), 0); // conn包含地址，不需要像udp一样传地址 if (ret <= 0) { printf("cli offline\n"); break; } time_t tm; time(&tm); sprintf(buf, "%s %s", buf, ctime(&tm)); send(conn, buf, strlen(buf), 0); } close(listfd); close(conn); return 0; }

客户端：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> /* See NOTES */ #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <netinet/ip.h> #include <time.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #define SENDIP "xxx.xxx.xxx.xxx" typedef struct sockaddr *(SA); int main(int argc, char **argv) { int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (-1 == sockfd) { perror("socket"); return 1; } struct sockaddr_in ser; bzero(&ser, sizeof(ser)); ser.sin_family = AF_INET; ser.sin_port = htons(50000); ser.sin_addr.s_addr = inet_addr(SENDIP); int ret = connect(sockfd, (SA)&ser, sizeof(ser)); if (-1 == ret) { perror("connect"); return 1; } while (1) { char buf[256] = "tcp test......"; send(sockfd, buf, strlen(buf), 0); bzero(buf, sizeof(buf)); recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0); printf("%s", buf); sleep(1); } close(sockfd); return 0; }