木下~Linux系统编程之网络通信|TCP

一、网络参考模型

1. OSI 七层模型

ISO 制定的计算机通信互联标准，核心规则为每层使用下层提供的服务，并向上层提供服务，从上到下核心功能如下：

2. TCP/IP 四层模型（工业实际标准）

是 OSI 模型的落地简化版本，与 OSI 对应关系及核心能力如下：

核心通信基础

• 网络通信三要素：IP 地址（定位网络主机）+ 传输层协议（约定传输规则）+ 端口号（定位主机内进程），三元组可唯一标识网络中的一个进程。
• 常用网络命令：
  • 查看 IP：Windows 用ipconfig；Linux 用ip addr/ifconfig
  • 连通性测试：ping 目标IP/域名（如ping www.baidu.com），TCP/UDP 通信的前提是网络可 ping 通。
• Linux 文件类型补充：套接字文件为s类型，是 Linux 七大文件类型之一。

二、核心基础概念

1. IP 地址

• 常用格式：点分十进制（如 192.168.10.150），存储分为主机字节序、网络字节序两种格式。
• 地址分类：A 类 (1-127)、B 类 (128-191)、C 类 (192-223)，D/E 类为特殊用途地址。
• 核心转换函数：
  • in_addr_t inet_addr(const char *cp)：点分十进制 IP → 网络字节序整型
  • char *inet_ntoa(struct in_addr in)：网络字节序 IP → 点分十进制字符串

2. 端口号

• 本质：16 位无符号整数，取值范围0-65535，唯一标识主机内的一个网络进程。
• 分类：
  • 知名端口：0-1023，固定分配给系统服务（22-SSH、21-FTP、80-HTTP）
  • 动态端口：1024-65535，用户程序可自由使用
• 注意：网络传输前，端口号必须完成主机字节序与网络字节序的转换。

3. 字节序

• 大端序（网络字节序）：内存低地址存数据高字节，高地址存数据低字节，网络传输固定使用大端序。
• 小端序（主机字节序）：内存低地址存数据低字节，高地址存数据高字节，多数主机本地存储默认使用小端序。
• 核心转换函数：
  • htonl/htons：主机字节序 → 网络字节序（l=32 位长整型，s=16 位短整型）
  • ntohl/ntohs：网络字节序 → 主机字节序

三、传输层核心协议（TCP vs UDP）

1. 核心定义

• TCP（传输控制协议）：面向连接的可靠传输协议，通信前通过三次握手建立连接，传输过程中校验数据完整性，丢包自动重传，数据有序到达。
• UDP（用户数据报协议）：无连接的不可靠传输协议，无需建链，只管数据发送，不做传输校验和丢包重传，不保证数据有序到达。

2. 核心区别速览

四、Socket 套接字核心

五、Socket 核心 API 函数（Linux 环境）

核心头文件：#include <sys/types.h>、#include <sys/socket.h>

1. 通用函数：创建套接字

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

• 功能：创建套接字，返回套接字文件描述符
• 核心参数：
  • domain：协议族，常用AF_INET（IPv4 协议）
  • type：套接字类型，SOCK_STREAM(TCP)/SOCK_DGRAM(UDP)
  • protocol：传输层协议，填 0 则自动匹配 type 对应的协议
• 返回值：成功返回非负套接字文件描述符，失败返回 – 1

2. 服务端专属函数

① 绑定地址信息

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

• 功能：服务端绑定 IP、端口、协议族到套接字，固定服务端通信地址
• 核心参数：
  • sockfd：socket () 返回的监听套接字描述符
  • addr：地址结构体（常用sockaddr_in替代，内存布局一致），填充服务端 IP、端口、协议族
  • addrlen：addr 结构体的大小，用 sizeof 计算
• 返回值：成功返回 0，失败返回 – 1
• 补充：sockaddr_in核心成员：sin_family(协议族)、sin_port(端口号，网络字节序)、sin_addr.s_addr(IP 地址，网络字节序)

② 创建监听队列

int listen(int sockfd, int backlog);

• 功能：将主动套接字转为被动套接字，创建客户端连接请求的监听队列
• 核心参数：
  • sockfd：socket () 返回的监听套接字描述符
  • backlog：监听队列的最大客户端连接数
• 返回值：成功返回 0，失败返回 – 1

③ 接收客户端连接

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

• 功能：阻塞等待并接收客户端连接请求，连接成功后创建专属通信套接字
• 核心参数：
  • sockfd：socket () 返回的监听套接字描述符
  • addr：出参，存储连接成功的客户端地址信息
  • addrlen：入参出参，传入 addr 结构体大小的地址
• 返回值：成功返回新的非负通信套接字描述符（用于和该客户端收发数据），失败返回 – 1

3. 客户端专属函数：发起连接

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

• 功能：客户端主动向服务端发起连接请求，底层完成 TCP 三次握手
• 核心参数：
  • sockfd：socket () 返回的客户端套接字描述符
  • addr：填充服务端 IP、端口、协议族的地址结构体
  • addrlen：addr 结构体的大小
• 返回值：成功返回 0，失败返回 – 1

4. 通用数据收发函数

① 发送数据

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

• 功能：向指定套接字发送数据
• 核心参数：
  • sockfd：通信套接字描述符（服务端用 accept 返回值，客户端用 socket 返回值）
  • buf：待发送数据的缓冲区首地址
  • len：待发送数据的字节长度
  • flags：发送标志，常规填 0（阻塞发送）
• 返回值：成功返回实际发送的字节数，失败返回 – 1
• 补充：可用write()函数完全替代

② 接收数据

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

• 功能：从指定套接字接收数据
• 核心参数：
  • sockfd：通信套接字描述符
  • buf：接收数据的缓冲区首地址
  • len：缓冲区最大可接收字节长度
  • flags：接收标志，常规填 0（无数据时阻塞等待）
• 返回值：成功返回实际接收的字节数，失败返回 – 1
• 补充：可用read()函数完全替代

六、TCP 通信完整流程

服务端流程

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

#define PORT 8888
#define IP "192.168.10.150"
#define MAX 5

//实现服务端和客户端的自由聊天 —- 服务端
int main(int argc,char *argv[])
{
//1、创建套接字文件 socket
int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(-1 == sockfd)
{
perror("socket error\\r\\n");
return 0;
}

//2、绑定服务端的三要素 bind
struct sockaddr_in addr = {0};
addr.sin_family = AF_INET;//使用ipv4的协议族
addr.sin_port = htons(PORT);//端口号
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);//IP

if(-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr)))
{
perror("bind error\\r\\n");
return 0;
}

//3、创建监听队列 listen
if(-1 == listen(sockfd,MAX))
{
perror("listen error\\r\\n");
return 0;
}

printf("wait for connect …\\r\\n");
//4、等待客户端连接 accept
struct sockaddr_in c_addr={0};
socklen_t addrlen = sizeof(c_addr);
int fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&c_addr, &addrlen);
if(-1 == fd)
{
perror("accept error\\r\\n");
return 0;
}

printf("client ip = %s\\r\\n",inet_ntoa(c_addr.sin_addr));
printf("client port = %d\\r\\n",ntohs(c_addr.sin_port));

//5、创建子进程 实现自由聊天
pid_t pid = fork( );
if(-1 == pid)
{
perror("fork error\\r\\n");
return 0;
}else if(0 == pid) //子进程 发送数据
{
char buf[20] = {0};
while(1)
{
//获取需要发送的内容
fgets(buf,sizeof(buf),stdin);

//发送给客户端
send(fd,buf,strlen(buf),0);

//判断退出
if(strcmp("quit\\n",buf) == 0)
{
kill(getppid(),2);
break;
}

//清空buf
memset(buf,0,sizeof(buf));
}
}else //父进程 接受数据
{
char buf[20] = {0};
while(1)
{
//获取客户端的信息
recv(fd, buf, sizeof(buf)-1, 0);

//显示获取到的信息
printf("receive:%s\\r\\n",buf);

//判断退出
if(strcmp("quit\\n",buf) == 0)
{
kill(pid,2);
break;
}

//清空buf
memset(buf,0,sizeof(buf));
}
}

//6、关闭套接子文件 — 绑定的文件要关闭
// 如果不关闭，自动关闭需要时间，在文件关闭前，无法再次绑定相同的IP 和端口号
if(-1 == close(sockfd))
{
perror("close error\\r\\n");
return 0;
}

return 0;
}

客户端流程

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

#define PORT 8888
#define IP "192.168.10.150"
#define MAX 5

void *sock_recv(void *arg);

//实现服务端和客户端的自由聊天 —- 客户端
int main(int argc,char *argv[])
{
//1、创建套接字文件 socket
int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(-1 == sockfd)
{
perror("socket error\\r\\n");
return 0;
}

//2、主动申请连接服务端
struct sockaddr_in addr = {0};
addr.sin_family = AF_INET;//使用ipv4的协议族
addr.sin_port = htons(PORT);//端口号
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);//IP

if(-1 == connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr)))
{
perror("connect error\\r\\n");
return 0;
}
printf("connect successful!!!\\r\\n");

//3、创建线程 接受信息
pthread_t tid = 0;
pthread_create(&tid, NULL, sock_recv,(void *)(long)sockfd);

//4、循环发送信息
char buf[20] = {0};
while(1)
{
//获取需要发送的内容
fgets(buf,sizeof(buf),stdin);

//发送给客户端
write(sockfd,buf,strlen(buf));

//判断退出
if(strcmp("quit\\n",buf) == 0)
{
break;
}

//清空buf
memset(buf,0,sizeof(buf));
}

//6、关闭套接子文件
if(-1 == close(sockfd))
{
perror("close error\\r\\n");
return 0;
}

return 0;
}

//创建线程函数 — 接受服务端的信息
void *sock_recv(void *arg)
{
int fd = (int)(long)arg;
char buf[20] = {0};
while(1)
{
//获取客户端的信息
read(fd, buf, sizeof(buf)-1);

//显示获取到的信息
printf("receive:%s\\r\\n",buf);

//判断退出
if(strcmp("quit\\n",buf) == 0)
{
break;
}

//清空buf
memset(buf,0,sizeof(buf));
}
exit(0);
}