Linux网络编程实战：从字节序到UDP协议栈的深度解析与开发指南

网路通信的三大要素：协议，端口和IP

知识点1【字节序】

多字节在主机中的存放数据

把多字节看成一个整体存储的顺序。

为什么我们在文件中没有这个概念呢？

因为文件是字节流（流指针），流是以一个字节为操作单位，并不是多字节

字节序分为两种：大端和小端

大端格式：高字节数据存放在低地址

小端格式：低字节数据存放在低地址

记忆方式：只看低地址，看是存储的高字节数据还是低字节数据

小（低）对小 高大上

大小端是系统决定的，我们不能更改。

Linux 都是小端的。

案例1：判断当前系统是大端还是小端

判断思路：判断低地址存放的是 低字节数据还是高字节数据

代码演示

代码运行结果：

数组是 不管是什么系统，第0个元素是低地址

知识点2【网络字节序和主机字节序】

1、如果计算机没有考虑字节序的问题，容易导致传输的数据错误

这种错误会现在异构计算机上：计算机的架构不同。小端架构和大端架构

小端主机和大端数据通信时，又有字节序的不同，导致数据错误，如下图

2、解决上述问题的方法

方法引入

我们各地都有各自的方言，为了让全国都能正常沟通，国家为此规定了普通话，将方言转换为普通话，就都能正常沟通了，普通话就是一个标准。

下图只是说明问题，并非实际过程

方法

网络 里的 数据必须是大端

因此上述的实际过程。

主机A（大端格式）传输数据，传到网络，发现是大端字节序，无需数据格式转换

主机B（小端格式）接受数据，知道网络传输的数据格式是大端格式，会进行类型格式的转换，转换为小端字节序

3、主机字节序和网络字节序

引入

那么问题又来了，主机不知道自己是什么字节序，那该如何判读是否需要数据转换呢？

因此 这里 引入和 网络字节序（net） 和主机字节序（host）

转换的过程，有需要引入两个函数

hton，ntoh：这两个函数都会进行 主机字节序 的 判断，根据判断结果决定需不需要转换。

总结

发送数据：需要将 主机字节序 转换为 网络字节序 hton

接收数据：需要将 网络字节序 转换为 主机字节序 ntoh

知识点2【字节序的转换函数】

1、主机字节序 转 网络字节序（发送）

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);//转IP
uint16_t htons(uint16_t hostshort);//转端口号

函数介绍 只介绍htonl htons类似

• 函数介绍

  功能:

  将 32 位主机字节序数据转换成网络字节序数据

  参数：

  hostint32：待转换的 32 位主机字节序数据

  返回值：

  成功：返回网络字节序的值

重复

端口号无符号短整型

IP地址 32位

mac地址 48位

2、网络字节序 转 主机字节序（接收）

#include <arpa/inet.h>
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);//转ip
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);//转端口号

• 函数介绍

  功能：

  将 32 位网络字节序数据转换成主机字节序数据

  参数：

  uint32_t： unsigned int

  netint32：待转换的 32 位网络字节序数据

  返回值：

  成功：返回主机字节序的值

案例 htonl

代码演示

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h> int main(int argc, char const *argv[])
{uint32_t num = 0x04030201;printf("num = %d\\n",num);printf("htonl(num) = %#x\\n",htonl(num));printf("htonl(num) = %d\\n",htonl(num));return 0;
}

代码运行结果

知识点3【地址转换函数】

这里的地址指的是IP地址

“10.9.11.5” 这种IP是 点分十进制串 （用户识别的IP地址）IPv4

“fe80::578a:738a:f506:f37a”这种IP是 冒分十六进制串 IPv6

但是：计算机 是用 32位无符号数据 存储的IP地址

大家判断一下 上面我写的这个字符串多少个字节

10个字节

那么 点分十进制串 最大的字节数是多少呢？

“192.168.100.101”

是16个字节（算’\0’）

因此我们以后 存储 点分十进制串 要用16个字节来存储

1、发送数据

需要将 点分十进制数串 转换为 32位无符号数

#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

• 函数介绍

  功能：

  将点分十进制串 转换为 无符号数网络IP

  参数：

  af： (address family)

  IPv4的点分十进制串→AF_INET

  IPv6的冒分十六进制串→AF_INET6

  src：输入参数，指向以空字符结尾的字符串，表示 IPv4 或 IPv6 地址。

  点分十进制串 和 冒分十六进制串

  dst： 输出参数，指向一个缓冲区，用于存储转换后的二进制数据。

  返回值：

  • 1：成功转换。
  • 0：输入地址无效（例如，IPv4 字符串包含字母）。
  • -1：发生错误（如 af 参数不合法），可通过 errno 获取具体错误

代码演示

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>int main(int argc, char const *argv[])
{//实现IP 点分十进制串 向 32位IP地址（IPv4）的转换//我们假设IP地址为：10.11.1.5char *str_ip = "10.11.1.5";u_int32_t addr = 0;inet_pton(AF_INET,str_ip,&addr);printf("addr = %u\\n",addr);//现在我们按照字符遍历一下unsigned char *p = (unsigned char *)&addr;printf("%d.%d.%d.%d\\n",*p,*(p + 1),*(p + 2),*(p + 3));return 0;
}

代码运行结果

这里我自己实现了一个 pton的函数，大家看一下，有助于大家更好地理解pton

自己实现的pton

int my_pton(char *str_ip,int *addr)
{//先进性数据提取char ch_p[4];int int_p[4];sscanf(str_ip,"%d.%d.%d.%d",&int_p[0],&int_p[1],&int_p[2],&int_p[3]);//这里的数据高位（第一个%d） 存储到了&int_p[0]中,而数组下标小的在低地址，与我们想要的相反，因此我们下面要转换过来//将数据提取到字符数组当中for (size_t i = 0; i < 4; i++){if(int_p[i] > 255 || int_p[i] < 0){return 0;}ch_p[i] = (unsigned char)int_p[i];}*addr = ch_p[0] << 24 | ch_p[1] << 16 | ch_p[2] << 8 | ch_p[3];//这里不需要强转，因为会自动类型转换//现在的顺序对了，但是此时是小端存储，但是pton的结果 我们分析出 是大端存储，因此我们需要 转换为大端存储*addr = htonl(*addr);return 1;
}

代码运行结果

2、接收数据

将32为无符号数据 转换成 点分十进制数串

• 函数介绍

  #include <arpa/inet.h>
  const char *inet_ntop(int af, const void *src,char *dst, socklen_t size);
  

  功能：

  将 二进制格式的 IP 地址 转换为 可读字符串

  参数：

  af：Address Family

  src：输入参数，指向二进制格式的 IP 地址。

  dst：输出参数，指向用于存储结果字符串的缓冲区。

  size：缓冲区 dst 的字节长度。需足够大以防止溢出。

  返回值：

  • 成功：返回指向 dst 的指针（即转换后的字符串地址）。
  • 失败：返回 NULL，并设置 errno 表示具体错误。

知识点4【UDP编程概述】

1、socket

网络通信要解决的问题 是不同主机进程间的通信

三要素

1、IP地址

2、PORT

3、协议

socket：网络程序编程开发接口的统称

socket作用

提供不同主机上的进程之间的通信

socket特点

1、socket也称”套接字“

2、是一个特殊的文件描述符（套接字），代表一个通信管道的一个端点

3、类似对文件的操作一样，可以使用read，write，close等函数对socket套接字进行网络数据的读取和发送等操作

4、得到套接字（描述符）的方法调用socket()

5、socket可读可写，且有端口和IP

注意

不要直接成socket是文件描述符，它是一种特殊的文件描述符，它有专属名称是套接字

2、UDP的编程流

bind 绑定函数，服务器是被动的，服务器给用户一个固定的端口，而这个固定的端口的提供 需要bind绑定函数来实现，可以通过端口找到该服务器。一旦绑定了这个端口，这个端口号其他进程就不可以再使用。

绑定 客户端也是可以有的，一旦绑定，发送消息，其他客户端就知道 是本端口发送的，其他客户端也可以通过这个端口找到该客户端

客户端：创建套接字，收，发，关闭套接字

服务器：创建，绑定，收，发，关闭（图中没有，记得加上）

关闭防火墙交流

背一下：

hton：将 主机字节序 转换为 网络字节序

ntoh：将 网络字节序 转换为 主机字节序

pton：字符串转换 为 大端的二进制数据

ntop：大端二进制数据 转换为 字符串

3、socket函数创建一个套接字（通信的端点）

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int family,int type,int protocol);

功能：

创建一个用于网络通信的 socket 套接字（描述符）

参数：

family:协议族(AF_INET、AF_INET6、PF_PACKET 等)

type:套接字类(SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW 等)

protocol:协议类别(0、IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP 等

返回值：

套接字

特点：

创建套接字时，系统不会分配端口

代码演示

代码运行结果

4、IPv4地址结构体

**作用：**定义 地址结构体变量

#include <netinet/in.h>
struct in_addr
{in_addr_t s_addr;//4 字节
};struct sockaddr_in//IPv4地址 结构体
{sa_family_t sin_family;//2 字节in_port_t sin_port;//2 字节struct in_addr sin_addr;//4 字节char sin_zero[8]//8 字节
};//IPv6地址结构体 ：sockaddr_in6

sin_zero 全部需要补零。作用是将结构体补充成16个字节

我们定义结构体后，建议先把结构体清零

5、通用地址结构体

对传递给函数的参数进行类型转换 不做赋值操作

struct sockaddr
{sa_family_t sa_family; // 2 字节char sa_data[14] //14 字节
};

这里解释一下，为什么要这个结构体，由family可以看出，我们可以选择IPv4 也可以选择IPv6，IPv4和IPv6是两种协议，我们在设计sendto函数的时候，由于它们所需的地址结构体是不同的，但是我们又想用同一个sendto函数。

我们就定义了一个通用地址结构体，通用结构体是16个字节，它只有前两个字节有效也就是family成员，代码中会对family就行判断，确定是IPv4 还是IPv6，然后函数内部进行结构体类型强转。就可以实现一个sendto函数完成IPv4和IPv6的通用。

综上在这里 通用地址结构体的作用类似于：**void ***

大家可以在下面sendto介绍中看一下，to 的类型是什么，还有recvform中from的的类型是什么。

6、sendto发送UDP消息

TCP消息是用send发送的。

套接字，内容，大小，0，目标，大小

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

功能：

向 to 结构体指针中指定的 ip，发送 UDP 数据

参数：

sockfd：套接字

buf：发送数据缓冲区

nbytes: 发送数据缓冲区的大小

flags：一般为 0

行为标志，网络数据比较复杂，紧急指针等需要特殊处理，这里我们写0就行

to：指向目的主机地址结构体的指针

addrlen：to 所指向内容的长度

返回值：

成功:发送数据的字符数

失败: -1

注意：

通过 to 和 addrlen 确定目的地址

可以发送 0 长度的 UDP 数据包

代码演示

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{//创建一个 套接字int sockfd = 0;sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd < 0){perror("socket");return 0;}printf("sockfd = %d\\n",sockfd);//遍历一下sockfd//sendto //输入数据printf("请输入数据：\\n");char  buf[64] = "";fgets(buf,sizeof(buf),stdin);buf[strlen(buf) - 1] = 0;//地址结构体创建struct sockaddr_in addr;memset(&addr,0,sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(8080);inet_pton(AF_INET,"192.168.136.1",&addr.sin_addr.s_addr);//sendto 发送数据int ret = sendto(sockfd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr *)(&addr),sizeof(addr));if(ret < 0){perror("sendto");return 0;}return 0;
}

代码运行结果

在上面运行结果我们看到，发送端口的端口号是随机的

这个端口是如何来的呢？

是又第一次sendto随机分配的，记住只有第一次send 才会分配，比如我们在程序中多次发送数据，在第一次sendto之后，端口号将不改变，我们将上面的代码加上循环

可以看到端口号没有改变。但是 结束该进程，开启一个新进程后，端口号会改变

但实际使用过程中，总不能端口号一直在改变，因此我们下面需要学习一下bind()函数设置固定的端口

7、bind给套接字绑定固定的 IP和端口

绑定的位置应在 socket()之后，在sendto()/recvfrom()之前

绑定函数只能绑定 本地机的IP和端口

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

功能：

将本地协议地址 与 sockfd 绑定

参数：

sockfd： socket 套接字

myaddr： 指向特定协议的地址结构指针

addrlen：该地址结构的长度

返回值：

成功：返回 0

失败：其他

代码演示

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{//创建socketint sockfd = 0;sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd < 0){perror("socket");return 0;}printf("sockfd = %d\\n",sockfd);//固定端口 bind 套接字 地址结构体 大小struct sockaddr_in my_addr;memset(&my_addr,0,sizeof(my_addr));my_addr.sin_family = AF_INET;my_addr.sin_port = htons(8000);my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//INADDR_ANY==0，通配地址，让协议栈取本地机去找IPint ret = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(my_addr));if(ret != 0){perror("bind");return 0;}//发送消息 套接字 大小 flags 地址结构体 大小//键盘获取输入char buf[64] = "";fgets(buf,sizeof(buf),stdin);buf[strlen(buf)-1] = 0;//地址结构体的配置struct sockaddr_in addr;memset(&addr,0,sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(7000);inet_pton(AF_INET,"192.168.136.1",&addr.sin_addr.s_addr);sendto(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr));//关闭套接字描述符close(sockfd);return 0;
}

代码运行结果

可以看到即使是两个进程，端口号也是不变的

8、recvfrom 接收数据（带阻塞）

如果负责收数据，记得绑定固定的端口及IP

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf,size_t nbytes,int flags,struct sockaddr *from,socklen_t *addrlen);

功能：

接收 UDP 数据，并将源地址信息保存在 from 指向的结构中

参数：

sockfd：套接字

buf：接收数据缓冲区

nbytes：接收数据缓冲区的大小

flags：套接字标志(常为 0)

from：源地址结构体指针，用来保存数据的来源**（可以为NULL）**

addrlen: from 的长度**（可以是NULL）**

和送礼一样，谁送的不重要，重要的是礼物

注意：

通过 from 和 addrlen 参数存放数据来源信息

from 和 addrlen 可以为 NULL, 表示不保存数据来源

返回值：

成功:接收到的字符数

失败: -1

注意：

这个返回值 我们可以利用返回值 判断数据是否收完。

接收到的数据如果小于收到的内容nybte，则表示收完了，停止接收数据。

有可能接收图片（RGB），因此我们存的话需要用unsigned char接收。

又由于以太网最大传输单元（MTU）是1500个，因此接受数组的个数1500即可

代码演示

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>int main(int argc, char const *argv[])
{//创建一个 socketint sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(sockfd < 0){perror("socket");return 0;}printf("sockfd = %d\n",sockfd);//bind 固定端口于IP 必须要进行的操作 fd，地址结构体，大小struct sockaddr_in my_addr;memset(&my_addr,0,sizeof(my_addr));my_addr.sin_family = AF_INET;my_addr.sin_port = htons(6000);my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);int ret = bind(sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(my_addr));if(ret != 0){perror("bind");return 0;} //接收数据while(1){unsigned char buf[1500] = "";struct sockaddr_in addr;memset(&addr,0,sizeof(addr));int addr_len = sizeof(addr);int ret = recvfrom(sockfd,buf,sizeof(buf),0,(struct sockaddr *)&addr,&addr_len);if(ret < 0){perror("recvfrom");return 0;}//数据存储在buf中，数据的长度为ret//IP来源于addr.sin_addr.s_addr，需要处理//端口号为addr.sin_port，需要进行字节序转换//IP处理char str_add[16] = "";inet_ntop(AF_INET,&addr.sin_addr.s_addr,str_add,sizeof(str_add));//端口字节序转换int port = ntohs(addr.sin_port);//遍历一下printf("从IP：%s 端口号：%hu 接收到的数据为：%s，数据长度为%d\n",str_add,port,buf,ret);}//关闭 套接字描述符close(sockfd);return 0;
}

代码运行结果

代码书写过程中的错误

在printf的时候 没有\n，这里和同学一起看了很久，最后在持续发送中，发现只有当缓冲区满的时候，才会输出到终端，才发现这个问题。

这里回忆一下这个知识点：

缓冲区的刷新方式

        1、强制刷新

        2、行刷新

        3、满刷新

        4、关闭刷新

重点内容：

1、端口号输出的时候，需要将网络字节序 转换为 主机字节序输出。

2、并且IP也是需要转换为字符串输出的

结束

代码重在练习！

代码重在练习！

代码重在练习！

今天的分享就到此结束了，希望对你有所帮助，如果你喜欢我的分享，请点赞收藏夹关注，谢谢大家！！！