一、初识协议及分层

1. 国际标准化组织

   • IEEE（电气和电子工程师协会）是技术专家组成的组织。它制定了大量通信协议相关标准，比如 IEEE 802 系列标准，覆盖局域网到广域网技术。

   • ISO（国际标准化组织）由多国标准化团体组成。它制定了 OSI 七层网络模型，该模型在理论研究中影响广泛。

   • ITU（国际电信联盟）是联合国下属机构。它负责制定电信领域国际标准，与 ISO 合作保障通信技术的全球兼容性。

2. 区域标准化组织

   • ETSI（欧洲电信标准学会）由欧洲各国资助。它由电信行业厂商和研究机构参与，从事通信标准制定工作。

   • ASTAP（亚洲与泛太平洋电信标准化协会）由日韩发起成立。它旨在推动亚太地区信息通信基础设施的标准化协作。

3. 民间国际团体

   IETF（互联网工程师任务组）是志愿组织。它负责开发和推广 TCP/IP 协议族相关标准，通过 RFC 文档发布协议规范。

4. 官方机构

   FCC（联邦通信委员会）是美国通信管理机构。它负责审查通信产品的技术特性，对通信标准化工作进行监督。

5. 企业主体

   部分企业会自研协议栈并制定相关标准，用于低功耗蓝牙、Zigbee、Thread、Matter 等技术领域。

注意：协议本质属于软件。协议采用分层结构，目的是实现模块化设计和解耦合。

层级	核心职责	关键说明与典型设备 / 协议
物理层	负责光 / 电信号的传递方式	定义传输介质（网线、光纤、同轴电缆、无线电磁波），决定传输速率、距离和抗干扰性。典型设备：集线器（Hub）
数据链路层	负责设备间数据帧的传送与识别	包含帧同步、冲突检测、差错校验等工作，有以太网、无线 LAN 等标准。典型设备：交换机（Switch）
网络层	负责地址管理与路由选择	通过 IP 地址标识主机，依靠路由表规划传输路径。典型设备：路由器（Router）核心协议：IP
传输层	负责两台主机间的数据传输	确保数据可靠送达，提供端到端的通信服务。核心协议：TCP（可靠）、UDP（不可靠）
应用层	负责应用程序间的沟通	为各类应用提供协议支持，网络编程主要针对此层。典型协议：SMTP、FTP、Telnet

二、再识协议

2.1 为什么要有TCP/IP协议？

单机环境中，设备通信依赖本地协议（如 SATA、IDE），这些协议运行在主机硬件内部，通信距离近、问题少。

网络通信中，主机之间距离变远，通信面临路由寻址、数据丢失、传输效率等新问题，需要专门的协议栈解决。

TCP/IP 协议通过分层设计，针对不同问题提供对应的解决方案，以保障跨主机通信的稳定与可靠。

2.2 什么是TCP/IP协议？

 TCP/IP协议的本质是一种解决方案 ，TCP/IP协议能分层，前提是因为问题们本身能分层。

2.3 所以究竟什么是协议？

问题：主机B能识别data，并且准确提取a=10，b=20，c=30吗？

回答：答案是肯定的！因为双方都有同样的结构体类型struct protocol。用同样的代码实现协议，用同样的自定义数据类型，天然就具有"共识"，能够识别对方发来的数据。

关于协议的朴素理解：所谓协议，就是通信双方都认识的结构化的数据类型。

因为协议栈是分层的，所以，每层都有双方都有协议，同层之间，互相可以认识对方的协议。

三、网络传输基本流程

3.1 局域网络传输

• 以太网的介质访问控制规则共享式以太网中，同一碰撞域内的设备，任何时刻只允许一台设备发送数据。如果多台设备同时发送数据，会发生信号干扰，这种情况叫数据碰撞。发送数据的主机需要通过 CSMA/CD 机制完成碰撞检测与碰撞避免。

• 碰撞域的定义没有交换机的情况下，整个以太网属于同一个碰撞域。交换机的每个端口会划分独立的碰撞域，以此减少网络中的碰撞概率。

• 局域网的报文接收判定规则主机在局域网通信中，会通过目标 MAC 地址判断收到的报文是否是发给自己的。主机只会接收目标 MAC 地址与自身网卡 MAC 地址匹配的报文，丢弃不匹配的报文。

3.1.1 局域网(以太网为例)通信原理

 两台主机互联：

具体每层：对应就是入栈和出栈的过程。

• 网络分层通信的逻辑模型，被理解为同层协议之间直接通信。发送方的数据会从上层到下层逐层封装，接收方的数据会从下层到上层逐层解包，每层只和对方的同层协议进行逻辑交互。

• 数据封装的本质，是每一层在收到上层数据后，加上本层的协议报头。这个过程可以类比为填充结构体变量，每层的报头包含协议处理所需的控制信息。

• 接收方的核心操作都必须完成两件事：

  • 第一件事：将本层的协议报头和有效载荷（上层数据）分离。

  • 第二件事：根据报头中标识上层协议的字段，将有效载荷交付给对应的上层协议处理。

• 协议的共性规则所有层的协议，报头中都必须包含一个字段，用来指明自己的有效载荷需要交付给上层的哪一个协议。

• 报文结构定义报文由两部分组成：报头和有效载荷。报头是对应协议层的结构体字段，有效载荷是除报头外的数据部分。所以报文的构成可以表示为：报文 = 报头 + 有效载荷。

• 不同层级的报文名称不同协议层对数据包有不同称谓：传输层的报文叫段（segment），网络层的报文叫数据报（datagram），数据链路层的报文叫帧（frame）。

• 封装与解封装过程应用层数据通过协议栈发送时，每层协议都会添加数据首部（header），这个过程叫封装。首部包含首部长度、载荷长度、上层协议类型等信息。数据封装成帧后在传输介质中传递，到达目标主机后，每层协议会剥掉对应的首部，再根据首部中的 “上层协议字段”，把数据交给对应的上层协议处理。

3.1.2 认识MAC地址

• 作用：MAC 地址是数据链路层中，用于识别相连节点的唯一标识。

• 规格：MAC 地址长度为 48 比特（6 个字节），通常以十六进制数字加冒号的形式表示，例如 08:00:27:03:fb:19。

• 特性：MAC 地址一般在网卡出厂时固化，具有全球唯一性；虚拟机的 MAC 地址为模拟地址，可能出现冲突；部分网卡支持用户修改 MAC 地址。

• 查看方式：在 Windows 系统中，可通过 ipconfig /all 命令查看本机 MAC 地址。

3.1.3 数据包封装和分用

数据封装过程：

数据分用过程：

3.2 跨网络传输流程图

3.2.1 网络中的地址管理 - 认识IP地址

• P 协议分为 IPv4 和 IPv6 两个版本，若无特殊说明，默认指代 IPv4 协议。

• IP 地址是 IP 协议中，用于标识网络内不同主机的地址。

• IPv4 地址是一个 4 字节（32 位）的整数。

• IPv4 地址通常用 “点分十进制” 字符串表示，例如 192.168.0.1，每个用点分隔的数字对应 1 个字节，取值范围为 0-255。

跨网段的主机的数据传输：

• 碰撞域的定义以太网、令牌环网这类共享介质的网络，存在 “碰撞域” 概念。同一碰撞域内，任何时刻只允许一台主机发送数据，否则就会出现信号干扰，导致数据无法正常传输。

• 数据碰撞的产生与处理当多台主机在同一碰撞域内同时发送数据时，会发生数据碰撞。主机可通过物理信号识别到碰撞事件，随后通过碰撞检测（CSMA/CD） 和碰撞避免机制，执行退避算法，等待一段时间后再重新发送数据，以此解决冲突问题。

IP地址的意义：

结合封装与解包：

• IP 地址与 MAC 地址的路由行为数据在跨网络路由时，源 IP 地址和目的 IP 地址在整个传输过程中通常保持不变（NAT 场景除外）；而数据链路层的源 MAC 地址和目的 MAC 地址会在每一跳转发时被重写，用于标识当前局域网的直接收发设备。

• 二者的作用定位目的 IP 地址是网络层的逻辑标识，它代表数据传输的最终目标，是路由器进行路径选择的核心依据；MAC 地址是数据链路层的物理标识，它仅在同一局域网内有效，是局域网内转发数据帧的直接依据，只负责数据在 “当前一跳” 的传递。

提炼IP网络的意义和网络通信的宏观流程：

IP网络层存在的意义：提供网络虚拟层，让世界的所有网络都是 IP 网络，屏蔽最底层网络的差异。
 

四、Socket 编程预备

4.1 理解源IP地址和目的IP地址

IP 地址在网络中用于唯一标识一台主机。

数据传输的最终目的不是到达主机，而是交付给主机内的对应进程。

进程是用户在操作系统中的执行载体，用户通过进程完成聊天、下载、浏览等网络行为。

主机内存在多个进程，仅靠 IP 地址无法将数据精准转发到目标进程，因此需要额外标识区分进程。

4.2 认识端口号

1. 数据规格：端口号是一个 16 位（2 字节）的无符号整数，取值范围为 0~65535。

2. 核心作用：端口号用于标识主机内的进程，它告诉操作系统数据应交付给哪个进程处理。

3. 完整标识：IP 地址 + 端口号可以唯一标识网络上某台主机中的特定进程。

4. 占用规则：一个端口号在同一主机的同一传输层协议下，只能被一个进程占用。

4.2.1 端口号范围划分

• 0-1023：知名端口号，HTTP、FTP、SSH 等常用应用层协议使用固定端口号。

• 1024-65535：动态分配端口号，客户端程序的端口号由操作系统从该范围分配。

4.2.2 理解"端口号"和"进程ID"

• 进程 PID 是系统层面的概念，可唯一标识进程，但系统未直接用它做网络标识，避免进程管理与网络功能过度耦合。

• 端口号是网络层面的标识，一个进程可绑定多个端口号，但一个端口号只能被一个进程绑定。

4.2.3 理解源端口号和目的端口号

传输层（TCP/UDP）的数据段包含源端口号和目的端口号，分别标识数据的发送进程和接收进程。

4.2.4 理解socket

• P 地址标识互联网中的一台主机，端口号标识主机内的一个网络进程。

• IP + 端口号（socket） 可唯一标识互联网中的一个进程。

• 网络通信的本质是进程间通信，{源IP, 源端口, 目的IP, 目的端口} 四元组可唯一标识一次网络通信。

• socket 字面意为 “插座 / 接口”，在网络编程中代表网络通信的端点。

4.3 传输层的典型代表

TCP 协议基础特性：TCP（传输控制协议 Transmission Control Protocol ）是传输层的协议。

：传输层协议 ；有连接 ；可靠传输 ；面向字节流。

UDP 协议基础特性：UDP（用户数据报协议 User Datagram Protocol）是传输层的协议。

：传输层协议；无连接；不可靠传输；面向数据报。

4.4 网络字节序

网络数据流存在字节序问题。发送主机按内存地址从低到高的顺序发送数据。接收主机按内存地址从低到高的顺序保存数据。因此，网络数据流定义为先发出的数据为低地址，后发出的数据为高地址。

TCP/IP 协议规定，网络数据流统一采用大端字节序，即低地址存放高字节。所有主机无论本身是大端还是小端，发送和接收数据都必须遵循这一规定。小端主机发送数据前需将数据转换为大端格式，大端主机则无需转换。

为保证网络程序的跨平台可移植性，C 语言提供了专用的字节序转换函数，包含在<arpa/inet.h>头文件中：

• htonl：将 32 位长整数从主机字节序转为网络字节序

• htons：将 16 位短整数从主机字节序转为网络字节序

• ntohl：将 32 位长整数从网络字节序转为主机字节序

• ntohs：将 16 位短整数从网络字节序转为主机字节序

这些函数会根据主机实际字节序自动处理转换。如果主机是小端字节序，函数会完成大小端转换；如果主机是大端字节序，函数直接返回原数据。网络通信的统一规定是：所有发送到网络上的数据，都必须是大端格式。

4.5 socket 编程接口

4.5.1 socket 常见API

// 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);

• socket() 函数这个函数用于创建一个 socket 文件描述符，支持 TCP 和 UDP 协议，客户端和服务器端都需要调用它。它接收三个参数：通信域（如 IPv4/IPv6）、套接字类型（如 TCP 的 SOCK_STREAM、UDP 的 SOCK_DGRAM）、协议号（通常为 0）。

• bind() 函数这个函数用于将创建好的 socket 文件描述符，绑定到指定的 IP 地址和端口号上，主要由服务器端调用。它接收 socket 文件描述符、sockaddr类型的地址结构体指针、地址长度三个参数。

• listen() 函数这个函数用于将 socket 设置为监听状态，仅 TCP 服务器端调用。它接收 socket 文件描述符和 backlog 参数，backlog 表示等待连接队列的最大长度。

• accept() 函数这个函数用于从已完成连接的队列中取出一个客户端连接请求，仅 TCP 服务器端调用。它会返回一个新的文件描述符，用于和客户端通信，同时会填充客户端的地址信息。

• connect() 函数这个函数用于客户端主动向服务器发起连接请求，仅 TCP 客户端调用。它接收 socket 文件描述符、服务器地址结构体指针、地址长度三个参数。

4.5.2 sockaddr结构

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.

• 地址结构体定义IPv4 和 IPv6 的地址格式定义在头文件netinet/in.h中。IPv4 地址用sockaddr_in结构体表示，它包含 16 位地址类型、16 位端口号和 32 位 IP 地址。

• 地址类型标识IPv4 和 IPv6 的地址类型分别用常量AF_INET和AF_INET6表示。程序可以通过sockaddr结构体首地址中的地址类型字段，判断其具体地址类型，无需提前知道结构体细节。

• Socket API 的通用设计Socket API 统一使用struct sockaddr *类型接收地址参数。编程时需要将具体的地址结构体（如sockaddr_in）强制转换为该通用类型。这种设计提升了程序的通用性，让接口可以兼容 IPv4、IPv6 和 UNIX Domain Socket 等多种地址类型。

4.5.3 in_addr结构

• in_addr_t 是 uint32_t 的别名，代表 32 位无符号整数。

• struct in_addr 仅包含 in_addr_t 类型的 s_addr 成员。

• 该结构体的作用是存储 IPv4 地址的二进制数值，数据为网络字节序。

五、Socket编程UDP

5.1 UDP网络编程

5.2 V1版本 - Echo server

5.3 V2 版本 - DictServer

5.4 V2 版本 - DictServer封装版

5.5  V3版本 - 简单聊天室

5.6  补充参考内容

地址转换函数

关于inet_ntoa

remove_if 样例