万字详解网络编程之TCP/IP协议与UDP协议

一，TCP/IP

1.IP协议简介

1）IP协议

IP (internet Protocol) ⽹际协议位于⽹络层。⼏乎所有使⽤⽹络的系统都会⽤到IP 协议。

IP 协议的作⽤是把各种数据包传送给对⽅。保证送达的前置条件是：

（1）IP 地址：指明节点被分配到的地址

（2）MAC 地址：指⽹卡所属的固定地址

（3）数据包在这些节点之间的移动都是由ARP(Address Resolution Protocol：地址解析协议)负责将IP地址映射到MAC地址上来完成的。

区别：

IP 地址的设计是出于拓扑设计出来的，只要在不重复 IP 地址的情况下，它是可以随意更改的；⽽ MAC 地址是根据⽣产⼚商烧录好的，它⼀般不能改动的，IP 地址更像是精确到⻔牌号的地址信息，⽽ MAC 地址则是拥有唯⼀身份证号的“⼈”。

2）IP地址

IP协议中还有⼀个⾮常重要的内容，那就是给因特⽹上的每台计算机和其它设备都规定了⼀种地址，叫做“IP 地址”，IP地址的作⽤是标识计算机的⽹卡地址，每台计算机都有⼀个IP地址，在程序中是通过IP地址来访问⼀台计算机的。

在window上查看⽹络信息在设置网络查看，在linux下可以使⽤ifconfig查看网络信息

IP地址分类：IPv4地址和IPv6地址两种。

IPV4地址由两部分组成，即⽹络地址和主机地址。

网络地址表示其属于互联⽹的哪⼀个⽹络，主机地址表示其属于该⽹络中的哪⼀台主机。⼆者是主从关系。 根据⽹络号和主机号的不同，IP地址⼜可分为A，B，C，D，E类。其中A，B，C类地址经常使用，⽽D和E类是特殊地址，不经常使用。

A类：(1.0.0.0-126.0.0.0)

B类：(128.0.0.0-191.255.0.0)

C类：(192.0.0.0-223.255.255.0)

D类：是多播地址。该类IP地址的最前⾯为“1110”，所以地址的⽹络号取值于224~239之间。⼀般⽤于多路⼴播⽤户。

E类：是保留地址。该类IP地址的最前⾯为“1111”，所以地址的⽹络号取值于240~255之间。

IP地址⼜分为公⽹IP地址和内⽹IP地址。

公⽹IP地址可以直接被访问，内⽹IP地址只能在内⽹访问。要注意的是公⽹ip具有世界范围的唯⼀性，⽽内⽹ip只在局域⽹内部具有唯⼀性。并且，⼀个局域⽹⾥所有电脑的内⽹IP是互不相同的,但共⽤⼀个外⽹IP。

在IP地址3种主要类型⾥，各保留了3个区域作为私有地址（⽐如内部局域⽹所⽤的

地址），其地址范围如下：

A类地址：10.0.0.0～10.255.255.255

B类地址：172.16.0.0～172.31.255.255

C类地址：192.168.0.0～192.168.255.255

其中特殊的IP：
 

127.0.0.1

有⼀个特殊的IP地址，127.0.0.1，称之为本机地址，它总是127.0.0.1。⼀般⽤于测试使⽤或本地进程间通信⽤，其对应的本机域名为localhost。
 

0.0.0.0

在IPV4中，0.0.0.0地址被⽤于表示⼀个⽆效的，未知的或者不可⽤的⽬标。但是

在服务器中，0.0.0.0指的是本机上的所有IPV4地址，如果⼀个主机有两个IP地

址，192.168.1.1 和 10.1.2.1，并且该主机上的⼀个服务监听的地址是0.0.0.0,那么通

过两个ip地址都能够访问该服务。

3）域名

域名是⽤来代替ip地址来表示计算机的⼀种直观的名称。⽐如：www.baidu.com就是⼀个域名。由于直接记忆IP地址⾮常困难，所以我们通常使⽤域名访问某个特定的服务。域名解析服务器DNS负责把域名翻译成对应的IP，客户端再根据IP地址访问服务器。

可以使⽤ping命令查看⼀个域名对应的IP地址。

4）端口

在两台计算机通信时，只发IP地址是不够的，因为同⼀台计算机上跑着多个⽹络程序。⼀个IP包来了之后，到底是交给浏览器还是QQ，就需要端⼝号来区分。每个⽹络程序都向操作系统申请唯⼀的端⼝号，这样，两个进程在两台计算机之间建⽴⽹络连接就需要各⾃的IP地址和各⾃的端⼝号。 端⼝号是⼀个16位的⽆符号整数，对应的⼗进制取值范围为0~65535。端⼝号不是随意使⽤的，⽽是按照⼀定的规定进⾏分配。低于256号的端⼝是系统的保留端⼝，主要⽤于系统进程通信。⽐如⽹站的www服务使⽤的是80端⼝，FTP服务使⽤的21号端⼝。我们开发中使⽤的端⼝建议使用1024以后的动态端⼝。

端⼝查看：

在windows下查看所有的端⼝占⽤信息可以使⽤: netstat -ano

在linux下可以使⽤: ss -lntpd 或⽤netstat查看。

按对应的协议类型，端⼝有两种：TCP端⼝和UDP端⼝。由于TCP和UDP 两个协议是独⽴的，因此各⾃的端⼝号也相互独⽴，⽐如TCP有235端⼝，UDP也 可以有235端⼝，两者并不冲突。

2.TCP协议

TCP协议则是建⽴在IP协议之上的。TCP协议负责在两台计算机之间建⽴可靠连接，保证数据包按顺序到达。TCP协议会通过握⼿建⽴连接，然后，对每个IP包编号，确保对⽅按顺序收到，如果包丢掉了，就⾃动重发。

许多常⽤的更⾼级的协议都是建⽴在TCP协议基础上的，⽐如⽤于浏览器的HTTP协议、发送邮件的SMTP协议等。

1）TCP的数据包

以太⽹数据包（packet）的⼤⼩是固定的，最初是1518字节，后来增加到1522字节。其中， 1500 字节是负载（payload），22字节是头信息（head）。IP头和TCP头都⾄少需要20个字节，因此发送的数据⼤概在1400个字节左右。

TCP 数据包在 IP 数据包的负载⾥⾯，⽤户数据进⼊TCP/IP协议栈的封装过程 如下：

TCP数据包格式：

源端⼝和⽬的端⼝：

各为16⽐特，⽤于表示应⽤层的连接。源端⼝表示产⽣数据包的应⽤层进程，而目的端⼝则表示数据包所要到达的⽬的进程。

32位序列号：

占32⽐特。⽤来标识从TCP源端向TCP⽬标端发送的数据字节流，它表示在这个报⽂段中的第⼀个数据字节。

确认号字段：

占32⽐特。只有ACK标志为1时，确认号字段才有效。它包含⽬标端所期望收到源端的下⼀个数据字节。

标志位字段（U、A、P、R、S、F）：占6⽐特。各比特的含义如下：

◆URG：紧急指针（urgent pointer）有效。

◆ACK：确认序号有效。

◆PSH：接收⽅应该尽快将这个报⽂段交给应⽤层。

◆RST：重建连接。

◆SYN：发起⼀个连接。

◆FIN：释放⼀个连接。

16位窗⼝：

16位，表示源端主机在请求接收端等待确认之前需要接收的字节数。它⽤于流量控制，窗⼝⼤⼩根据⽹络拥塞情况和资源可⽤性进⾏增减。  对⽅不运⾏发送超过窗⼝约定⼤⼩的数据，防⽌接收区满了造成溢出。

选项字段：占32比特。可能包括"窗⼝扩⼤因⼦"、"时间戳"等选项。

数据：实际要发送的数据。

2）TCP协议的三次握⼿

在TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,采⽤三次握⼿建⽴⼀个连接，所谓面向连接，就是计算机双⽅通信时必须先建⽴连接，然后进⾏数据通信。最后断开连接。

32位确认号(ack)：其数值等于发送⽅的发送序号 +1(即接收⽅期望接收的下⼀个序列号)。

TCP在建⽴连接时，有以下三个步骤：

第⼀次握⼿)

客户端发送⼀个 SYN包 （包含有同步序列编号，是32位整数，该数值的分配是根据时间产⽣的⼀个随机值）。包含有同步序列号的标志位的数据段和通信请求给服务器，客户端进⼊SYN_SENT 状态,然后等待服务器的回发确认信息；

第⼆次握⼿)

服务器发⼀个 SYN+ACK 给客户端，确认已经收到客户端发来的信息，此时服务器进⼊SYN_RECV状态；

第三次握⼿)

客户端接收到服务器发来的确认信息后，再反馈⼀个 ACK给服务器，完成三次握⼿,客户端和服务器进⼊ESTABLISHED状态，到此⼀个TCP连接就完成了。

3） 四次挥⼿过程

所谓四次挥⼿（Four-Way Wavehand ）即终⽌TCP连接，就是指断开⼀个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。

第⼀次断开：客户端向服务器端FIN报⽂（将 FIN置1）,告诉服务器客户端没有要发送的数据了。

第⼆次断开：服务器接收到FIN后, 返回⼀个ack(收到序号+1), 告知主动⽅“我知道你想断开连接的请求了”

第三次断开：处理完客户端的报⽂后，服务器发送给客户端FIN包⽂，发送完FIN报⽂后，服务器进⼊LAST_ACK阶段（超时等待）。客户端收到后关闭客户端的读通道。

LAST-ACK - 等待原来发向远程TCP的连接中断请求的确认。

第四次断开：客户端发回ACK报⽂确认，并将确认序号设置为收到序号加1，此服务器收到后关闭服务器的写通道。

注意：

服务器和客户机都可以发起关闭，完全对称

当⼀个连接被建⽴或被终⽌时，交换的报⽂段只包含TCP头部，⽽没有数据。

3.网络模型

⽹络采⽤分⽽治之的⽅法设计，将⽹络的功能划分为不同的模块，以分层的形式有机结合在⼀起。 每层实现不同的功能，其内部实现的⽅法对外部其他层次来说是透明的，每层向上⼀层提供服务，使⽤下⼀层提供的服务； ⽹络体系结构即⽹络的层次结构和每层使⽤的协议的集合 。

两类⾮常重要的体系结构：    

开放式系统互联（open system interconnection 简称 OSI） 和TCP/IP 。

1）OSI⽹络模型

OSI 系统模型是国际化标准组织（ISO）为了实现计算机⽹络标准化颁布的参考模型，根据⽹络中数据传输的过程，将该模式分为7个层，每⼀层都向上⼀层提供服务，同时使⽤下层提供的服务。

2）TCP/IP系统模型

二，UDP

1.UDP协议特点

2.TCP协议与UDP协议

三，TCP/IP示例程序

服务器端（tcp_server.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define PORT 8080 // 定义端口号
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, client_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};

    // 1. 创建 Socket 文件描述符 (使用 SOCK_STREAM 代表 TCP)
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket 创建失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 绑定地址和端口
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有可用网卡
    address.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("绑定失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 开始监听端口 (等待客户端连接)
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("监听失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("TCP 服务器正在监听端口 %d...\n", PORT);

    // 4. 接受客户端连接 (这是一个阻塞函数，会一直等到有客户端连接进来)
    if ((client_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("接受连接失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("客户端已连接。\n");

    // 5. 接收来自客户端的消息
    read(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("收到客户端消息: %s\n", buffer);

    // 6. 向客户端发送回复消息
    const char *response = "消息已收到!";
    send(client_socket, response, strlen(response), 0);
    printf("已向客户端发送回复。\n");

    // 7. 关闭连接
    close(client_socket);
    close(server_fd);

    return 0;
}

客户端（tcp_client.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    const char *message = "你好，我是TCP客户端!";

    // 1. 创建 Socket
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        printf("\n Socket 创建错误 \n");
        return -1;
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 将IP地址从字符串转换为网络格式
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        printf("\n无效的地址/不支持的地址 \n");
        return -1;
    }

    // 2. 连接到服务器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        printf("\n连接失败 \n");
        return -1;
    }

    // 3. 发送消息到服务器
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("消息已发送: %s\n", message);

    // 4. 接收服务器的回复
    read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("收到服务器回复: %s\n", buffer);

    // 5. 关闭连接
    close(sock);

    return 0;
}

运行编译程序：

四，UDP示例程序

UDP 服务器 (udp_server.c)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define PORT 8081 // 使用不同于TCP的端口
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;

    // 1. 创建 Socket (使用 SOCK_DGRAM 代表 UDP)
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket 创建失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));

    // 2. 绑定服务器地址和端口
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        perror("绑定失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("UDP 服务器正在监听端口 %d...\n", PORT);

    socklen_t len = sizeof(cliaddr);

    // 3. 接收来自客户端的数据报 (recvfrom 会同时获取数据和客户端地址)
    recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
    buffer[strlen(buffer)] = '\0'; // 确保字符串结束
    printf("收到客户端消息: %s\n", buffer);

    // 4. 向客户端发送回复
    const char *response = "UDP 消息已收到!";
    sendto(sockfd, (const char *)response, strlen(response), 0, (const struct sockaddr *) &cliaddr, len);
    printf("已向客户端发送回复。\n");

    // 5. 关闭socket
    close(sockfd);

    return 0;
}

UDP 客户端 (udp_client.c)
 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8081
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    const char *message = "你好，我是UDP客户端!";
    struct sockaddr_in servaddr;

    // 1. 创建 Socket
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket 创建失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));

    // 2. 填写服务器地址信息 (不需要 connect)
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    // 3. 发送消息到服务器 (使用 sendto)
    sendto(sockfd, (const char *)message, strlen(message), 0, (const struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));
    printf("消息已发送: %s\n", message);

    // 4. 接收服务器的回复 (使用 recvfrom)
    socklen_t len;
    recvfrom(sockfd, (char *)buffer, BUFFER_SIZE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *) &servaddr, &len);
    buffer[strlen(buffer)] = '\0'; // 确保字符串结束
    printf("收到服务器回复: %s\n", buffer);

    // 5. 关闭 socket
    close(sockfd);

    return 0;
}

编译运行程序：