1. 学习目的

实现 不同主机之间的进程间通信。

在 Linux 下，进程间通信（IPC）不仅可以发生在同一台主机上，也可以通过网络实现不同主机之间的通信。要做到这一点，必须同时满足以下两个条件：

1. 物理层面：不同主机之间必须通过物理网络互联互通（如网线、交换机、路由器等）。

2. 软件层面：进程之间必须通过网络协议进行通信。

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2. 基础概念

• IP 地址
  计算机的“软件地址”，用来标识计算机设备

• MAC 地址
  计算机网卡的“硬件地址”，唯一且固定。

• 端口号
  用来区分同一主机上的不同进程，保证多个网络服务可以同时运行。

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3. 网络协议

网络通信需要遵循统一的标准，即 网络协议。

3.1 OSI 七层模型（理论模型）

OSI（Open System Interconnect）是一个通信标准框架，分为 7 层：

1. 应用层：提供应用服务（如文件传输、电子邮件）。

2. 表示层：数据加密/解密，压缩/解压缩。

3. 会话层：建立数据传输通道,   ---》会话

4. 传输层：提供端到端的传输服务（传输的方式  UDP  TCP   端口号）。

5. 网络层：实现数据路由，路径规划    路由器  ip。

6. 数据链路层：封装成帧，点对点通信（局域网内通信），差错检测   交换机  ARP。

7. 物理层：定义物理介质（网线、光纤），传输比特流（0/1）。

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3.2 TCP/IP 模型（应用模型）

相比 OSI 七层，TCP/IP 模型更贴近实际应用。

五层模型

1. 应用层：

   • HTTP：超文本传输协议

   • HTTPS：加密的 HTTP（SSL加密算法）

   • FTP：文件传输协议（TCP）

   • TFTP：简单文件传输协议（UDP）

   • MQTT：物联网协议

   • DNS：域名解析服务

2. 传输层：

   • TCP（传输控制协议，可靠，面向连接）

   • UDP（用户数据报协议，不可靠，面向无连接）

3. 网络层：

   • IP 协议（IPv4 / IPv6）

4. 数据链路层：

   • ARP（地址解析协议）

5. 物理层

四层模型

1. 应用层

2. 传输层

3. 网络层

4. 网络接口层

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4. IP 协议

• IPv4：32 位地址

• IPv6：128 位地址

4.1 表示方式

• 点分十进制：192.168.1.140  (用户表示形式)   点分十进制   

• 二进制存储：11000000 10101000 00000000 10001100   (计算机存储形式) 32bits

4.2 IP 地址组成

IP地址 = 网络位 + 主机位

例：192.168.0.121/24

• /24：网络位长度 24 位

• 网络位：表示属于哪个网段

• 主机位：表示网段中(局域网)的哪一台主机

4.3 子网掩码

例：255.255.255.0

• 11111111.11111111.11111111.00000000
  用来区分IP地址的网络位和主机位，搭配IP地址使用。
  子网掩码是1的部分对应IP地址的网络位
  子网掩码是0的部分对应IP地址的主机位

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4.4 特殊地址

              IP地址网络位不变,主机位全为0,则为该IP地址的网段号
192.168.1.3
255.255.0.0
192.168.0.0
位于
192.168.1.0 网段内(网段内的IP能直接通信)

               192.168.1.255
IP地址网络位不变,主机位全为1,则为该IP地址的广播号
192.168.1.3
255.255.255.0
广播号:
192.168.1.255(向广播号发送信息,所有局域网内IP都能收到此信息)

• 网段号：主机位全为 0

• 广播号：主机位全为 1，局域网内所有主机都能收到

• 网关地址：通常为 xxx.xxx.xxx.1，用于不同网段间通信

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4.5 IP 地址分类

1. A 类地址

   • 范围:1.0.0.0 - 126.255.255.255
     子网掩码:255.0.0.0          126*2^24        
     用于管理大规模网络
     
     私有IP地址:10.0.0.0 - 10.255.255.255
     
     127.0.0.0   回环地址

2. B 类地址

   • 范围:128.0.0.0 - 191.255.255.255
     子网掩码:255.255.0.0         2^16
     管理大中规模网络
     
     私有IP地址:172.16.0.0 - 172.31.255.255

3. C 类地址

   • 范围:192.0.0.0 - 223.255.255.255
     子网掩码:255.255.255.0        2^8
     管理中小规模网络
     
     私有IP地址:192.168.0.0 - 192.168.255.255

4. D 类地址

   • 224.0.0.0 - 239.255.255.255
     组播和广播使用

5. E 类地址

   • 240.0.0.0 - 255.255.255.254
     用来进行实验

       公有IP：由电信公司直接分配，并需要付费的IP地址， 可以直接访问internet
私有IP：不能直接访问internet的ip地址

节省ip地址

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5. 网络端口号

• 端口号：16 位无符号整数（0 - 65535）

• 功能：区分同一主机上的不同网络进程

分类

1. 系统端口（0-1023）

   • HTTP：80

   • FTP：20/21

   • TFTP：69

   • HTTPS：443

2. 注册端口（1024-49151）

   • MQTT：1883 / 8883

3. 动态端口（49152-65535）

   • 私有、临时使用

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6. Linux 网络配置

常用命令

1. ping ip/域名
   测试与目标主机是否连通

   ping www.baidu.com

2. ifconfig（Linux）
   查看当前主机 IP 地址

   ipconfig（Windows）
   查看 Windows 主机 IP 地址

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虚拟机配置

1. 虚拟机 → 设置 → 网络适配器 → 桥接模式

2. 编辑 → 虚拟网络编辑器 → VMnet0 → 桥接至当前 PC 网卡

3. 修改网络配置文件（示例）

   sudo vim /etc/network/interfaces

   auto lo

   iface lo inet loopback

   auto ens33

   iface ens33 inet dhcp

4. 重启网络服务

   sudo /etc/init.d/networking restart

5. 测试

   ping www.baidu.com

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7. UDP 协议与编程

• UDP（User Datagram Protocol）属于传输层协议。

•  用户数据报协议（User Datagram Protocol）

• 特点：无连接、不可靠、效率高，适合实时性强的应用（如视频、语音）。

7.1 网络编程模型

1. B/S 模型（Browser / Server）

   • 客户端通用（浏览器）

   • 一般只开发服务器端

   • 客户端的数据均来自服务器

2. C/S 模型（Client / Server）

   • 专用客户端

   • 服务器和客户端都需开发

   • 客户端可保存部分资源，本地加载

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7.2 UDP 编程流程

基本概念

• 套接字（socket）：一个文件描述符，应用层与网络通信的接口。

编程步骤

• 客户端：

  1. 创建 socket

  2. 填写服务器地址结构

  3. 发送数据 sendto

  4. 接收数据 recvfrom

  5. 关闭 socket

• 服务器：

  1. 创建 socket

  2. 绑定端口 bind

  3. 循环接收数据 recvfrom

  4. 可选择回应客户端 sendto

  5. 关闭 socket

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

       int socket(int domain, int type, int protocol);
功能：创建通信的套接字
参数：
domain：网络层使用什么协议族
AF_INET：IPv4
AF_INET6：IPv6
type：规定传输层的协议
SOCK_DGRAM ： UDP协议
SOCK_STREAM：TCP协议
SOCK_RAW ：原始套接字
protocol ：0 按照默认协议方式创建
返回值：
成功：套接字
失败：-1

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
功能：向网络套接字发送数据
参数：
sockfd：套接字
buf： 要发送的数据的首地址
len：要发送的字节数
flags： 0：按照默认方式发送
dest_addr：接收方的地址信息（IP+端口号）
addrlen：接收方地址的大小
返回值：
成功：实际发送的字节数
失败：-1

       man 7 ip
struct sockaddr_in {
sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

           /* Internet address. */
struct in_addr {
uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

网络字节序：大端                network
主机字节序：小端  50000   host

0x1234

小端：0x34
0x12
大端：
0x12
0x34

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);          主机转网络
uint16_t htons(uint16_t hostshort);         主机转网络
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);           网络转主机
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);          网络转主机

 in_addr_t inet_addr(const char *cp);
功能:
将字符串IP地址转换成二进制IP地址形式

 char *inet_ntoa(struct in_addr in);
功能：
将二进制ip转换成字符串

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);
功能：绑定自己的IP地址和端口号
参数：
sockfd：套接字
addr：需要绑定的地址
addrlen：地址大小
返回值：
成功：0
失败：-1

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
功能：从套接字上接收数据
参数：
sockfd：套接字
buf：存放接收数据的内存首地址
len：希望接收的字节数
flags：0 ：按照默认方式接收（阻塞）
src_addr：发送方的地址信息
addrlen：发送发地址的指针
功能：
成功：实际接收到的字节数
失败：-1