Linux 网络编程实战：TCP/IP 协议栈与 UDP 通信

MAC 地址：每个网卡自出厂开始设置有唯一的编号，这是全球内的唯一标识。

局域网：小区域的计算机网络范围。

以太网：一种网络通信技术规定，任何时刻，只允许一台机器向网络中发送数据。

完成了上面的四层，此时需要经过网卡来完成信息传递：当数据被打包完成后会经过网卡发送到局域网：数据不是准确发送的，它需要一个个访问。

（3）报文解包

如果对方不是目标 MAC，途中被访问到的网卡也会自动摒弃，继续寻找。

如果对方是目标 MAC，就被对方网卡接收，开始逐层解包。

逆向开始逐层解包：

【四】长距离通信

IP 地址：每个设备在全球的唯一通信地址（例如：192.168.1.101，传输中不会变）。

MAC 地址：MAC 在远距离传输的时候会变换为途中的中间设备的网卡 MAC 地址。

端口号：用于区分一台计算机上不同的应用程序（比如抖音 500，快手 120）。

路由器：连接不同网络的设备。

当数据在网卡中准备发送时，应该是如何样子：

（1）此时数据包进入局域网，局域网看到数据包需要远距离通信后，再交给自己的路由器。

（2）此时路由器传给途中的其它设备，通过解析拿到 IP 地址（被每个路由器解析到网络层）。

（3）再按照内部的目标路径向下一个路由器传递。

（注意：MAC 在传输的过程中，会随着接触到的网卡逐渐改变，但是自己 IP 和目标 IP 不会）。

（4）当路由器根据对应的网卡找到目标 IP 后，再开始发送解包的过程，根据端口号找到应用。

【五】网络字节序

内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分，磁盘文件中的多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分，就可能因为大小端的问题导致读取数据不一致的问题。为了统一数据读取方式，网络中规定在应用层传入的数据必须是大端。

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。

【六】UDP 网络协议通信接口

在网络协议中，分为了 TCP 和 UDP 两套协议，UDP 是面向非连接的，下面我们学习 UDP 协议。

如果你听见'网络套接字'，其实就是'IP 地址 + 端口号 + 协议'的总称，即网络通信相关。

既然网络协议是在操作系统里面，那我们自己要实现通信就必须使用系统调用系列接口：socket。

（1）创建套接字

原型：

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

参数：

• **第一个参数：**通信域
  • AF_INET: IPv4 互联网协议
  • AF_INET6: IPv6 互联网协议
  • AF_UNIX 或 AF_LOCAL: 本地通信（进程间通信）
• **第二个参数：**套接字类型
  • SOCK_STREAM: 流式套接字，提供可靠、面向连接的通信（对应 TCP）
  • SOCK_DGRAM: 数据报套接字，提供不可靠、无连接的通信（对应 UDP）
  • SOCK_RAW: 原始套接字，允许直接访问底层协议（如 IP、ICMP）
• **第三个参数：**指定具体协议。通常设为 0，表示根据 domain 和 type 自动选择默认协议。

返回值：

• 成功: 返回一个非负整数，即套接字文件描述符（这说明也是基于文件实现通信！）
• 失败: 返回 -1，并设置 errno

作用：创建一个用于网络通信的端点。

（2）绑定地址和端口

原型：

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数：

• 第一个参数：socket() 函数返回的套接字文件描述符
• 第二个参数：struct sockaddr 类型的指针，该结构体包含了要绑定的 IP 地址和端口号等信息
  • 对于 IPv4，通常使用 struct sockaddr_in 结构体，并强制转换为 struct sockaddr *
  • 对于 IPv6，使用 struct sockaddr_in6
• 第三个参数：addr 指向的结构体的大小

返回值：

• 成功: 返回 0
• 失败: 返回 -1，并设置 errno

作用：将一个套接字与特定的 IP 地址和端口号绑定。

（3）发送数据

原型：

#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);

参数：

• **第一个参数：**通信使用的套接字文件描述符
• **第二个参数：**发送数据的字符指针
• **第三个参数：**发送的长度
• **第四个参数：**发送标志（通常设为 0，表示默认行为）
• **第五个参数：**指向目标接收方地址结构体的指针（包含对方 IP 和端口）
• 第六个参数：dest_addr 结构体的大小

返回值：

• 成功：返回实际发送的字节数
• 失败：返回 -1，并设置 errno

作用：给指定的 IP 和端口发送数据。

（4）接收数据

原型：

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

参数：

• **第一个参数：**套接字文件描述符，需要和发送方一致
• **第二个参数：**存储数据
• **第三个参数：**接收数据的最大容量
• **第四个参数：**接收标志（通常设为 0，默认行为）
• 第五个参数：（用于存储'寄件人'的 IP 和端口）
• 第六个参数：socklen_t 类型的变量地址（变量等于存储'寄件人'结构体大小）

返回值：

• 成功：返回实际接收的字节数
• 失败：返回 -1，并设置 errno

作用：接收对方发送的数据。

【七】服务端实现

作为服务端，它的 IP 和端口是固定的，所以我们需要：创建套接字 -> 绑定 ->（自选）发送 || 接收。

（1）创建套接字

//创建套接字
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(fd == -1) {
    std::cerr << "错误码:" << errno << ",错误原因:" << strerror(errno) << std::endl;
    exit(1);
} else {
    std::cout << "socket is successful!" << std::endl;
}

（2）绑定 IP 和端口

IP 设置：由于部分设备有两个网卡，所以如果我们绑定了其中一个，就接收不到另外的一个了，因此这里我们实验就采用 INADDR_ANY，允许所有人访问。

端口设置：同时端口需要自己使用 1024 以上的端口（避免冲突和权限问题）。

//绑定 IP 和端口
struct sockaddr_in local;
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
local.sin_port = htons(8000);
memset(&local.sin_zero, 0, sizeof(local.sin_zero));
int bd = bind(fd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
if(bd == -1) {
    std::cerr << "错误码:" << errno << ",错误原因:" << strerror(errno) << std::endl;
    exit(1);
} else {
    std::cout << "bind is successful!" << std::endl;
}

（3）接收数据

接收数据我们就设置为循环，因为服务器都是随时打开供客户访问的：

//接收数据
char buffer[1024] = {'\0'};
struct sockaddr_in local;
socklen_t sz = sizeof(local);
while(1) {
    ssize_t re = recvfrom(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&local, &sz);
    if(re == -1) // 根据 -1 来判断是错误还是没有数据
    {
        if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
            //没有数据，稍等片刻再试
            printf("暂时没有数据，等待...\n");
            sleep(1);
        } else {
            //发生其他错误，处理错误
            std::cerr << "错误码:" << errno << ",错误原因:" << strerror(errno) << std::endl;
            exit(1);
        }
    } else {
        buffer[re] = 0;
        std::cout << "读取到数据:" << buffer << std::endl;
    }
}

（4）自定义选择回发数据

你可以在接收到对方发送的内容之后，直接返回信息给对方，自行选择即可：

（5）效果展示

此时接收到数据，就卡在'recvfrom（）'那里了，很正常：

【八】客户端实现

（1）main 传参

客户端需要向服务端发送，所以客户端需要知道对方的 IP 和端口，这里就需要给 main 传参：

（2）创建套接字

和服务端实现一样：

//创建套接字
int cd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(cd == -1) {
    std::cerr << "错误码:" << errno << ",错误原因:" << strerror(errno) << std::endl;
    exit(1);
} else {
    std::cout << "socket is successful!" << std::endl;
}

（3）不需要 bind（）

bind 无非就是解决 IP 和端口的绑定问题，下面我们看为什么一般不需要绑定：

下面的 IP 分配和端口设置都为 0 其实是操作系统隐藏式的 bind（OS 自动选择 bind）。

• IP：向对方发送信息，我们只需要知道对方的地址即可，一般选择 0（网络分配）
• 端口：一般选择 0，由操作系统自己分配，若自己绑定，可能造成当前端口正在被使用，bind 失败

（4）发送数据

//发送数据
const char* ptr = "Hello,你吃了吗！";
struct sockaddr_in local;
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
local.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
ssize_t ac = sendto(cd, ptr, strlen(ptr), 0, (const sockaddr*)&local, sizeof(local));
if(ac == -1) {
    std::cerr << "错误码:" << errno << ",错误原因:" << strerror(errno) << std::endl;
    exit(1);
}

（5）自定义选择接收数据

你可以在接收到对方回发的内容之后，接收打印查看：

（6）效果展示

现在我们同时运行客户端和服务端，同时打开云服务端口（或者直接采用别的任意 IP）开始通信：