网络编程与TCP/IP协议

网络编程与TCP/IP协议

一、网络分层模型

1. OSI七层模型（理论模型）

层级	名称	功能	数据单元
7	应用层	为应用程序提供网络服务	数据(data)
6	表示层	数据的格式化和转换	数据(data)
5	会话层	建立、管理、终止会话	数据(data)
4	传输层	提供端到端的数据传输	段/数据报
3	网络层	路径选择和路由，IP寻址	数据包
2	数据链路层	设备间传输数据帧，物理寻址	帧
1	物理层	定义物理介质和电气特性	比特

2. TCP/IP模型（实际应用）

层级	协议	功能
应用层	HTTP、FTP、DNS	应用程序通信
传输层	TCP、UDP	端到端数据传输
网络层	IP	路由和寻址
网络接口层	以太网、WiFi	物理传输

网络连接要素：网络设备 + 传输介质

二、TCP协议详解

TCP三大核心特点

1. 面向连接：通信前必须经过"三次握手"，结束后必须经过"四次挥手"
2. 可靠传输：基于序号确认、超时重传、流量控制机制
3. 面向字节流：不保留边界信息，将数据切分成TCP段

关键机制

三次握手（建立连接）

1. 客户端发送SYN请求连接
2. 服务器回复SYN+ACK确认
3. 客户端发送ACK应答，连接建立完成

四次挥手（断开连接）

1. 主动方发送FIN请求关闭
2. 被动方回ACK确认收到
3. 被动方发送FIN请求关闭
4. 主动方回复ACK，连接关闭

三、TCP编程相关结构体

sockaddr_in结构

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;    // 地址族
    in_port_t sin_port;        // 端口号（网络字节序/大端）
    struct in_addr sin_addr;   // IPv4地址（网络字节序/大端）
};

struct in_addr {
    uint32_t s_addr;           // IPv4地址
};

字节序说明

• 主机字节序：根据不同CPU架构，存储多字节的方式不同
• 网络字节序：统一标准，采用大端序，保证不同计算机通信

四、TCP服务器编程流程

1. 创建套接字

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

2. 绑定地址

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
// addrlen: 结构体大小，通常使用sizeof获取

3. 监听连接

int listen(int sockfd, int backlog);
// backlog: 连接请求队列的最大长度

作用：将未连接的套接字转换为被动套接字，监听客户端连接请求

4. 接受连接

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

返回值：成功返回新的套接字文件描述符，失败返回-1
作用：从等待队列中取出第一个连接请求，创建新套接字与客户端连接

套接字类型说明

• 监听套接字：

  • 由socket()创建，bind()绑定，listen()监听
  • 被动角色，只接受连接请求
  • 生命周期：整个服务器程序执行时间

• 连接套接字：

  • 由accept()返回创建
  • 主动角色，专门与特定客户端通信
  • 生命周期：与客户端连接结束后关闭

5. 数据接收

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

返回值：

• >0：实际接收的字节数
• =0：连接已关闭
• =-1：失败

6. 数据发送

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

7. 关闭连接

int close(int fd);

五、TCP客户端编程

连接服务器

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

返回值：

• 0：连接已建立
• -1：连接失败

作用：主动向服务器发起连接请求，自动触发三次握手

六、协议对比

特性	TCP	UDP	HTTP
连接性	面向连接	无连接	应用层协议
可靠性	可靠传输	不可靠	基于TCP
速度	较慢	较快	中等
数据边界	字节流	数据报	消息
使用场景	文件传输、网页	视频流、DNS	Web应用