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文章目录
- 概要&序論
- 零、端口号的底层实现原理补充
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- 0.1 端口号到进程（PCB）的映射机制
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- 0.1.1 底层哈希表查找
- 0.2 有效载荷传递给进程的机制
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- 0.2.1 Linux“一切皆文件”的设计思想
- 一、Socket编程基础认知
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- 1.1 理解 Socket 与网络通信本质
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- 1.1.1 唯一标识与进程间通信
- 1.1.2 什么是 Socket
- 1.2 系统层与传输层接口
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- 1.2.1 传输层系统调用
- 1.3 传输层典型协议简介
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- 1.3.1 TCP 协议（Transmission Control Protocol）
- 1.3.2 UDP 协议（User Datagram Protocol）
- 二、网络字节序与主机字节序
-
- 2.1 字节序的基本概念
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- 2.1.1 大端与小端
- 2.2 TCP/IP 网络字节序规定
- 2.3 字节序转换 API 函数
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- 2.3.1 命名规范与参数含义
- 三、Socket 编程常用接口与数据结构
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- 3.1 Socket 常见 API
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- 3.1.1 核心 API 功能简析
- 3.2 sockaddr 结构体抽象
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- 3.2.1sockaddr结构
- 3.2.2sockaddr_in 结构
- 3.2.3in_addr结构
- 3.3 sockaddr 结构体的统一设计与协议多态
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- 3.3.1 两种常见地址结构体对比
- 3.3.2 系统底层的多态判断逻辑
- 3.3.3 面向对象思想与协议家族扩展
概要&序論
Hello大家好，我是此方。本文将从网络通信本质出发，系统讲解 TCP/UDP概念，Socket 常用 API 以及 sockaddr 等核心数据结构，逐步建立完整的 Socket 编程知识体系。
零、端口号的底层实现原理补充
应该放在上一期讲，漏掉了。
0.1 端口号到进程（PCB）的映射机制
0.1.1 底层哈希表查找
- 信息传入与解包：数据信息从网络传入，依次经过链路层、网络层和传输层解包。
- 哈希映射：系统拿着传输层报头中的端口号（如 8080），去内核维护的 hash 表中进行索引查找。
- 链式哈希结构：内核使用链式哈希（链表）结构管理连接。在进程创建并绑定端口时，系统会提前将进程控制块（PCB）根据其绑定的端口号链入 hash 表中。通过端口号索引，即可迅速定位到该端口对应的 PCB。
0.2 有效载荷传递给进程的机制
0.2.1 Linux“一切皆文件”的设计思想
- 内核缓冲区：在 Linux 系统中一切皆文件。Socket 在内核中也表现为文件形式，拥有对应的内核缓冲区。
- 数据交付：根据端口号找到目标进程（PCB）后，内核将解包得到的有效载荷直接拷贝放入该 Socket 对应的内核缓冲区当中。
- 上层读取：上层应用程序通过文件描述符读取该内核缓冲区，即可顺利获取从网络接收到的有效载荷。
一、Socket编程基础认知
1.1 理解 Socket 与网络通信本质
1.1.1 唯一标识与进程间通信
- IP 与 Port 的作用：IP 地址用于在互联网中唯一标识一台主机；port（端口号）用于唯一标识该主机上的一个网络进程。
- IP + Port 组合：IP + Port 能够唯一标识互联网中的某个特定进程。
- 网络通信的本质：通信双方本质上是两个互联网进程代表用户进行交互。由 {srcIp, srcPort, dstIp, dstPort} 构成的四元组，可以唯一标识互联网中进行通信的两个进程。因此，网络通信的本质就是跨主机的进程间通信。
1.1.2 什么是 Socket
- 定义：我们把 IP + Port 的组合称作套接字（socket）。
- 字面含义：socket 原意为“插座、插口”。在网络编程中，它就像是一个插座接口，应用程序通过“插上”这个接口接入网络通信网络。
套接字有网络套接字和本地套接字，我们只讲网络套接字，网络套接字学会了本地套接字自然就会了
1.2 系统层与传输层接口
1.2.1 传输层系统调用
- 传输层属于操作系统内核的一部分。
- 当我们理解了操作系统和网络协议栈后，就会明确：要通过网络协议栈进行通信，必须调用传输层提供的系统调用接口。
1.3 传输层典型协议简介
1.3.1 TCP 协议（Transmission Control Protocol）
TCP 即传输控制协议，具有以下关键特性：
- 传输层协议：工作于 OSI 模型的传输层。
- 有连接：通信前双方必须建立连接。（你先可以短暂的这样理解：打电话，你喂我喂就是在建立连接）
- 可靠传输：提供数据包确认、重传机制，保证数据准确无误到达。
- 面向字节流：数据以无边界的字节流形式传输。（水龙头接水就是面向字节流）
文件流和面向字节流是没有太大区别的，只是表述的方式不一样。
1.3.2 UDP 协议（User Datagram Protocol）
UDP 即用户数据报协议，具有以下关键特性：
- 传输层协议：工作于 OSI 模型的传输层。
- 无连接：发送数据前无需建立连接，直接发送。
- 不可靠传输：尽力而为交付，不保证数据是否丢失或按序到达。
- 面向数据报：以独立的数据报文为单位进行传输，保留数据边界。（收发快递，就是面向数据报）
这两个东西肯定不会这么简单就过去了。对于TCP与UDP协议的详细介绍我放在后面再讲，现在当务之急是知晓概念并立即写出我们的第一个服务器代码。
可靠与不可靠是中性词语，可靠能做更多事情，但是更加复杂，不可靠更加简单。于是TCP和UDP从事与不同的应用场景，两者不能一概而论。（目前有此认识，后面会专门出文章深究）
二、网络字节序与主机字节序
2.1 字节序的基本概念
2.1.1 大端与小端
内存和磁盘文件中的多字节数据均有大端（big-endian）与小端（little-endian）之分。网络数据流同样需要明确定义字节存储与传输的顺序： 我好像讲过，传送门：一篇文章讲透——计算机中的数据存储原理
- 发送端：通常将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发送。
- 接收端：把从网络上接收到的字节依次保存到接收缓冲区中，同样按内存地址从低到高的顺序保存。
- 网络数据流规定：先发送的数据是低地址，后发送的数据是高地址。
为什么一定要规定大端？目前没有合理的解释 一个可能的原因：发送过来的数据更加符合人类的阅读习惯。
2.2 TCP/IP 网络字节序规定
- 统一标准：TCP/IP 协议规定，网络数据流应采用大端字节序（即低地址高字节）。
- 强制要求：所有发送到网络上的数据，都必须是大端的！
- 主机适应：不论当前主机是大端机还是小端机，都会按照该规定发送和接收数据：
- 若当前发送主机是小端，需先将数据转换为大端后再发送。
- 若当前发送主机是大端，则忽略转换，直接发送。
2.3 字节序转换 API 函数
为了保证网络程序的可移植性，使同样的 C 代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行，头文件 <arpa/inet.h> 提供了以下转换 API：
#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
- 如果主机是小端字节序，这些函数会将参数做相应的大端/小端转换后返回。
- 如果主机是大端字节序，这些函数不做任何转换，直接原封不动地返回参数。
2.3.1 命名规范与参数含义
这么多我怎么记？
- h：代表 host（主机字节序）。
- n：代表 network（网络字节序）。
- l：代表 long（32 位长整数，常用于 IP 地址 转换）。
- s：代表 short（16 位短整数，常用于 Port 端口号 转换）。
三、Socket 编程常用接口与数据结构
3.1 Socket 常见 API
Socket API 是系统层提供的一套抽象网络编程接口。常见的核心 API 函数定义如下：
// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP，客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端口号 (TCP/UDP，服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);
// 开始监听socket (TCP，服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP，服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
// 建立连接 (TCP，客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
3.1.1 核心 API 功能简析
- socket：用于创建套接字并返回一个文件描述符，是进行一切网络通信的基础入口。
- bind：将创建的套接字与指定的本地地址（IP + Port）绑定在一起，主要用于服务器端。
- listen：将套接字设置为监听模式，准备接受来自客户端的连接请求（仅 TCP 服务器端使用）。
- accept：阻塞等待并接收客户端的连接请求，成功后返回一个新的套接字用于后续通信（仅 TCP 服务器端使用）。
- connect：向指定的服务器端发起连接请求（仅 TCP 客户端使用）。
3.2 sockaddr 结构体抽象
socket API是一层抽象的网络编程接口,适用于各种底层网络协议,如IPv4、IPv6,以及后面要讲的UNIX Domain Socket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同。
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IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中,IPv4地址用sockaddr_in结构体表示,包括16位地址类型, 16位端口号和32位IP地址.
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IPv4、IPv6地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6. 这样,只要取得某种sockaddr结构体的首地址,不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容.
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socket API都可以用struct sockaddr *类型表示, 在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in; 这样的好处是程序的通用性, 可以接收IPv4, IPv6, 以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针作为参数;
3.2.1sockaddr结构
3.2.2sockaddr_in 结构
虽然socket api的接口是sockaddr, 但是我们真正在基于IPv4编程时, 使用的数据结构是sockaddr_in;这个结构里主要有三部分信息: 地址类型, 端口号, IP地址.
3.2.3in_addr结构
in_addr用来表示一个IPv4的IP地址. 其实就是一个32位的整数;
3.3 sockaddr 结构体的统一设计与协议多态
3.3.1 两种常见地址结构体对比
在实际使用中，我们根据不同的通信场景定义具体的结构体，再强制类型转换为 struct sockaddr 传给 Socket API：
- 网络通信（IPv4）：使用 struct sockaddr_in
- 前 16 位：地址类型（AF_INET）
- 16 位端口号
- 32 位 IP 地址
- 8 字节填充
- 本地通信（UNIX Domain Socket）：使用 struct sockaddr_un
- 前 16 位：地址类型（AF_UNIX）
- 108 字节路径名
3.3.2 系统底层的多态判断逻辑
Socket API 在底层接收到强转后的 struct sockaddr 指针后，通过读取结构体最前方的地址家族标识（sin_family）自行区分通信类型：
if (address->sin_family == AF_INET) {
// 底层转化为对应的网络结构体，执行网络通信
} else if (address->sin_family == AF_UNIX) {
// 底层转化为对应的本地结构体，执行本地通信
}
3.3.3 面向对象思想与协议家族扩展
- Socket API 实现了“用什么通信传什么结构体，但使用同一套通用 API 接口”。这种通过头部字段区分类型、使用通用结构体指针转接的设计，是 C 语言层面对面向对象多态思想的经典实现。
- 由于统一套接口的设计，未来即使出现新的通信方式，也只需按规范定义新的结构体并传入系统接口即可，保证了 API 的极高通用性与扩展性。
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