Day33 网络编程：OSI/TCP/IP模型、协议族与UDP编程

day33 网络编程：OSI/TCP/IP模型、协议族与UDP编程

OSI 模型

开放系统互联模型（Open System Interconnect）分为7层，作为理想模型尚未完全实现。各层功能及示例如下：

• 应用层
  为网络用户提供各种服务（如电子邮件、文件传输）。
  示例：TFTP（简单文件传输协议）用于基础文件操作：
  tftp server get /etc/passwd（二进制模式传输文件）
  tftp server get /etc/123（ASCII模式传输文件）

• 表示层
  提供统一的数据表示形式，处理加密解密、gzip压缩等数据格式转换。

• 会话层
  管理进程会话过程（如网络断开时的连接状态维护），通过keep-close/keep-alive机制协调信息传输。

• 传输层
  管理网络通信两端的数据传输，提供可靠（TCP）或不可靠（UDP）传输服务，适用于文件、视频、音频等数据传输。

• 网络层
  负责数据传输的路由选择和网际互连，核心协议为IP，支持NAT（网络地址转换）。

• 数据链路层
  负责物理相邻主机间的数据传输，实现物理地址寻址、数据帧封装和差错控制。该层分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。交换机在此层工作，数据以帧格式传输并校验。

• 物理层
  将主机数据转换成电信号通过网络介质传输，描述通信设备的机械、电气特性。
  示例参数：传输速率（100 Mb/s, 1 Gb/s）、介质类型（双绞线、光纤）、无线频段（2.4 GHz, 5 GHz）。

TCP/IP 模型

网际互联模型分为4层，作为工业标准的实用模型（TCP/IP协议栈）：

• 应用层
  对应应用程序，提供HTTP、FTP等高层服务。
• 传输层
  涉及端口号，核心协议为TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据包）。
• 网络层
  处理IP地址，核心协议为IP。
• 接口层
  涉及网卡、驱动，传输速率如1 GB/s；支持pcap（packet capture）技术用于网络数据包捕获分析。

TCP/IP 协议族

包含覆盖网络通信各层的多种协议：

• 应用层协议
  HTTP、TFTP、FTP、SNMP、DNS等。
  示例：DNS域名解析（www.taobao.com → 192.168.0.19）。
• 传输层协议
  TCP、UDP；历史设备示例：56k猫（调制解调器）。
• 网络层协议
  IP、ICMP（用于ping命令）、RIP、OSPF、IGMP等。
• 接口层协议
  ARP、RARP等，实现IP地址到MAC地址的映射（ip--->mac）。

ARP 命令示例

arp -a

• 注释：显示本地ARP缓存表，列出所有IP地址与MAC地址的映射关系。
• 理想运行结果：

  Interface: 192.168.0.100 --- 0x2
    Internet Address      Physical Address      Type
    192.168.0.1           00-11-22-33-44-55     dynamic
    192.160.0.112         aa-bb-cc-dd-ee-ff     dynamic
  

  （注：结果中 192.160.0.112 为示例IP地址，MAC地址为模拟值；实际输出因网络环境而异。）

TCP 编程基础知识

IP 地址分类

IP地址由网络位 + 主机位组成（IPv4点分十进制表示），根据规模分为五类：

关键细节：

• C类网络特性：
  • 二进制最高位 110xxxxx
  • 前三组网络地址，第四组主机地址
  • 主机数量 = 254（2^8 - 2，扣除网关和广播地址）
  • 局域网常用私有地址：192.168.x.x
• 特殊地址：
  • 127.0.0.1：本地环回地址（A类保留）
  • 192.168.0.0：网络标识
  • 192.168.0.1：典型网关地址
  • 192.168.0.255：广播地址
• 单机上网配置流程：

  ifconfig ens33 192.168.0.13/24 up  # 设置IP和子网掩码（255.255.255.0）
  route add default gw 192.168.0.1    # 配置默认网关
  echo "nameserver 8.8.8.8" > /etc/resolv.conf  # 设置DNS
  ping www.baidu.com                  # 验证连通性（理想结果：收到ICMP响应）
  netstat -anp                        # 查看网络状态（显示活动连接和端口）
  

网络接口

• Socket（套接字）：
  BSD Socket是网络通信的API接口，本质是应用程序与网络协议栈的桥梁（文件描述符）。
• IP + Port 机制：
  • IP地址：标识主机在网络中的位置
  • 端口号：标识主机上的具体应用程序（范围1-65535）
  • 约定：端口号 < 1000 为系统保留端口

    HTTP: 80      | MySQL: 3306
    FTP: 21       | SSH: 22
    

网络字节序

网络传输采用大端存储（Big-Endian） 格式（高位字节在前），需通过转换函数确保数据一致性：

数字转换函数（#include <arpa/inet.h>）

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);  // 主机字节序 → 网络字节序（32位）
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 主机字节序 → 网络字节序（16位）
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   // 网络字节序 → 主机字节序（32位）
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 网络字节序 → 主机字节序（16位）

• 理想运行结果：
  htonl(0x12345678) 返回 0x78563412（大端格式）

UDP 编程

UDP 特性

• 无连接
• 不可靠（可能丢包）
• 低延迟
• 网络开销小
• 适用于实时性要求高的场景（如视频直播、在线游戏）

UDP 通信框架

C/S模式通信流程：

客户端流程：

1. 创建套接字：fd = socket()
2. 发送/接收数据（循环）：
   • sendto(fd, buf, size, addr) 发送数据
   • recvfrom(fd, buf, size, addr) 接收应答
3. 关闭套接字：close(fd)

服务器流程：

1. 创建套接字：fd = socket()
2. 绑定地址：bind(fd, 服务器地址端口)
3. 接收/发送数据（循环）：
   • recvfrom(fd, buf, size, addr) 接收请求
   • sendto(connfd, buf, size, addr) 发送应答

关键函数说明

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

• 功能：UDP协议中向对方发送数据
• 参数：
  • sockfd：本地套接字ID
  • buf：发送数据缓冲区
  • len：数据长度
  • flags：发送方式（0=阻塞）
  • dest_addr：目标主机地址结构体（必选）
  • addrlen：目标地址长度
• 返回值：成功返回发送字节数，失败返回-1

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

• 功能：UDP协议中接收对方数据
• 参数：
  • sockfd：本地套接字ID
  • buf：接收数据缓冲区
  • len：缓冲区大小
  • flags：接收方式（0=阻塞）
  • src_addr：对方地址结构体（可选，NULL表示不关心）
  • addrlen：对方地址长度指针
• 返回值：成功返回接收字节数，失败返回-1

注意：

• socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0) 创建UDP套接字
• bind() 服务器端必须调用，客户端可选

UDP 服务器代码示例

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>

typedef struct sockaddr * (SA);  // 定义sockaddr指针别名
int main(int argc, char **argv)
{
  // 创建UDP套接字
  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  if (-1 == sockfd)
  {
    perror("socket");  // 打印错误信息
    return 1;
  }

  // 配置服务器地址结构
  struct sockaddr_in ser, cli;
  ser.sin_family = AF_INET;       // IPv4协议族
  ser.sin_port = htons(50000);    // 主机转网络字节序端口
  ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.14.128");  // 设置IP地址

  // 绑定套接字到指定地址
  int ret = bind(sockfd, (SA) &ser, sizeof(ser));
  if (-1 == ret)
  {
    perror("bind");  // 绑定失败处理
    return 1;
  }

  time_t tm;
  socklen_t len = sizeof(cli);
  while (1)  // 持续服务循环
  {
    char buf[512] = {0};  // 接收缓冲区
    time(&tm);  // 获取当前时间
    // 接收客户端数据（阻塞等待）
    recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (SA)&cli, &len);
    // 附加时间戳到消息
    sprintf(buf, "%s %s", buf, ctime(&tm));
    // 将处理后的消息回传客户端
    sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&cli, len);
  }

  return 0;  // 理想结果：持续运行并处理客户端请求
}

UDP 客户端代码示例

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>

typedef struct sockaddr * (SA);  // 定义sockaddr指针别名
int main(int argc, char **argv)
{
  // 创建UDP套接字
  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
  if (-1 == sockfd)
  {
    perror("socket");  // 错误处理
    return 1;
  }
  
  // 配置服务器地址结构
  struct sockaddr_in ser;
  ser.sin_family = AF_INET;       // IPv4协议族
  ser.sin_port = htons(50000);    // 主机转网络字节序端口
  ser.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.14.128");  // 服务器IP

  int i = 10;
  while (i--)  // 发送10次请求
  {
    char buf[512] = "hello,this udp test";  // 初始化消息
    // 发送数据到服务器
    sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (SA)&ser, sizeof(ser));
    bzero(buf, sizeof(buf));  // 清空缓冲区
    // 接收服务器响应（阻塞等待）
    recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
    printf("from ser:%s\n", buf);  // 打印服务器响应
    sleep(1);  // 间隔1秒
  }
  close(sockfd);  // 关闭套接字

  return 0;  // 理想结果：输出10次类似 "from ser:hello,this udp test Wed Jun 12 10:30:45 2024"
}

核心知识点整合

网络模型对比

网络诊断命令

传输层协议对比