Linux网络编程教程：6.1 网络基础知识

在深入Linux网络编程之前，理解网络基础知识是至关重要的。网络编程涉及到多个层次的知识，包括网络协议、套接字编程、数据传输等。本文将详细介绍网络基础知识，并提供示例代码，帮助读者更好地理解这些概念。

1. 网络协议

网络协议是计算机网络中进行通信的规则和标准。它们定义了数据如何在网络中传输、如何建立连接、如何处理错误等。常见的网络协议包括：

TCP（传输控制协议）：一种面向连接的协议，提供可靠的数据传输。优点是数据传输可靠，缺点是延迟较高。
UDP（用户数据报协议）：一种无连接的协议，适用于实时应用。优点是传输速度快，缺点是数据不可靠，可能丢失。
HTTP/HTTPS：用于Web通信的协议，HTTPS是HTTP的安全版本。
FTP：用于文件传输的协议。

示例代码：使用TCP进行简单的客户端-服务器通信

以下是一个简单的TCP服务器和客户端示例，展示了如何使用套接字进行网络编程。

TCP服务器代码

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

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};

    // 创建套接字
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 绑定套接字
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

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

    // 监听连接
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 接受连接
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取数据
    read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Message from client: %s\n", buffer);

    // 关闭套接字
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

TCP客户端代码

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

#define PORT 8080

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char *message = "Hello from client";

    // 创建套接字
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        printf("\n Socket creation error \n");
        return -1;
    }

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

    // 将IPv4地址从文本转换为二进制
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        printf("\nInvalid address/ Address not supported \n");
        return -1;
    }

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

    // 发送数据
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("Message sent\n");

    // 关闭套接字
    close(sock);
    return 0;
}

优点与缺点

TCP优点：
- 可靠性：确保数据包按顺序到达且不丢失。
- 流量控制：防止发送方过快发送数据。
TCP缺点：
- 延迟：由于需要建立连接和确认数据包，延迟较高。
- 资源消耗：需要更多的系统资源来维护连接状态。
UDP优点：
- 速度快：没有连接建立和确认过程。
- 适合实时应用：如视频流、在线游戏等。
UDP缺点：
- 不可靠：数据包可能丢失或顺序错乱。
- 无法进行流量控制。

注意事项

在使用TCP时，确保处理好连接的关闭，避免资源泄漏。
使用UDP时，考虑到数据丢失的可能性，应用层需要实现重传机制。
在网络编程中，错误处理非常重要，确保在每个系统调用后检查返回值。

2. 套接字（Socket）

套接字是网络编程的核心，提供了一个接口用于网络通信。套接字可以分为流套接字（TCP）和数据报套接字（UDP）。

套接字的创建与使用

在Linux中，使用socket()函数创建套接字。其基本语法如下：

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

domain：指定协议族，常用的有AF_INET（IPv4）和AF_INET6（IPv6）。
type：指定套接字类型，SOCK_STREAM表示TCP，SOCK_DGRAM表示UDP。
protocol：通常设置为0，表示使用默认协议。

示例代码：创建一个UDP套接字

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

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sock;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 创建UDP套接字
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定套接字
    if (bind(sock, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 接收数据
    int n;
    socklen_t len;
    len = sizeof(server_addr);
    n = recvfrom(sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&server_addr, &len);
    buffer[n] = '\0';
    printf("Received message: %s\n", buffer);

    // 关闭套接字
    close(sock);
    return 0;
}

优点与缺点

优点：
- 套接字提供了一个统一的接口，支持多种协议。
- 可以在不同的主机之间进行通信，具有良好的可扩展性。
缺点：
- 套接字编程相对复杂，需要处理各种网络错误和异常情况。
- 需要对网络协议有一定的理解。

注意事项

在创建套接字后，务必检查返回值，确保套接字创建成功。
在使用UDP时，注意数据包的大小限制，避免发送过大的数据包。
处理网络编程时，确保使用非阻塞模式或多线程来避免阻塞主线程。

3. IP地址与端口

在网络通信中，IP地址和端口是两个重要的概念。IP地址用于标识网络中的设备，而端口则用于标识设备上的特定服务。

IP地址

IP地址分为IPv4和IPv6两种格式。IPv4地址由四个字节组成，通常表示为xxx.xxx.xxx.xxx的形式。IPv6地址则由128位组成，表示为八组十六进制数。

端口

端口是一个16位的数字，范围从0到65535。常用的端口包括：

80：HTTP
443：HTTPS
21：FTP
22：SSH

示例代码：获取本机IP地址和端口

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

int main() {
    char hostname[1024];
    struct sockaddr_in addr;
    socklen_t len = sizeof(addr);

    // 获取主机名
    gethostname(hostname, sizeof(hostname));
    printf("Hostname: %s\n", hostname);

    // 获取IP地址
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 连接到一个地址以获取本地IP
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(0);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("8.8.8.8"); // Google DNS

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0) {
        perror("connect failed");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    getsockname(sock, (struct sockaddr *)&addr, &len);
    printf("Local IP: %s\n", inet_ntoa(addr.sin_addr));
    printf("Local Port: %d\n", ntohs(addr.sin_port));

    close(sock);
    return 0;
}

优点与缺点

优点：
- IP地址和端口的组合可以唯一标识网络中的服务。
- 通过端口，可以在同一台机器上运行多个服务。
缺点：
- 端口冲突：如果两个服务尝试使用相同的端口，将导致冲突。
- IP地址的管理：在大型网络中，IP地址的分配和管理可能会变得复杂。

注意事项

在选择端口时，避免使用系统保留的端口（0-1023）。
确保在服务启动时检查端口是否被占用，避免启动失败。

结论

本文介绍了Linux网络编程的基础知识，包括网络协议、套接字、IP地址和端口等概念。通过示例代码，读者可以更好地理解这些概念的实际应用。在进行网络编程时，务必注意错误处理和资源管理，以确保程序的稳定性和可靠性。随着对网络编程的深入理解，读者可以进一步探索更复杂的网络应用和协议。