网络编程---UDP协议与IP协议

UDP协议基础概念

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是 TCP/IP 协议栈中无连接、不可靠、高效的传输层协议，与 TCP 的 “可靠传输” 设计不同，UDP 更注重传输效率，适用于对实时性要求高但可容忍少量数据丢失的场景。

UDP 的核心特性

• 无连接

  • 通信前无需建立连接（无三次握手），发送方直接封装数据并发送，接收方直接接收，流程简单。
  • 示例：类似 “写信”，无需提前确认对方是否准备好，直接投递即可。

• 不可靠传输

  • 不保证数据的交付：数据可能丢失、重复或乱序到达，UDP 协议本身不提供重传机制。
  • 不提供流量控制和拥塞控制：发送方按自身速率发送，不考虑接收方和网络的承载能力。

• 面向数据报

  • 数据以 “数据报” 为单位传输，每个数据报独立封装（包含完整的源地址、目的地址等信息）。
  • 接收方一次读取一个完整的数据报，保留数据边界（不会像 TCP 那样合并或拆分数据）。

• 高效轻量

  • 头部开销小：UDP 头部仅 8 字节（TCP 头部至少 20 字节），包含源端口、目的端口、数据长度、校验和 4 个字段。
  • 处理速度快：无需维护连接状态、重传队列等，协议栈处理逻辑简单，延迟低。

UDP 数据报结构（头部 + 数据）

UDP 与 TCP 的核心区别

UDP协议常用函数

Socket套接字用法与TCP相似

发送sendto()

如果在面向连接的套接字（SOCK_STREAM 或 SOCK_SEQPACKET 类型）上使用 sendto ()，则 dest_addr 和 addrlen 参数会被忽略（且当这些参数不为 NULL 和 0 时，可能返回 EISCONN 错误）；若套接字实际未建立连接，则返回 ENOTCONN 错误。否则（对于无连接套接字），目标地址由 dest_addr 给出，其大小由 addrlen 指定。

#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);
sockfd:通过 socket() 创建的套接字文件描述符（UDP 套接字或 TCP 套接字）
buf:(const void *)指向待发送数据的缓冲区指针（应用程序要发送的数据存储在这里）
len:要发送的数据长度（字节数），即 buf 中有效数据的大小
flags:发送选项标志，与 send() 相同（如 MSG_OOB 发送紧急数据、MSG_DONTWAIT 非阻塞发送等），通常设为 0
dest_addr:const struct sockaddr *（需根据协议族强转为对应类型，如 IPv4 用 struct sockaddr_in）
指向目标地址结构的指针，包含接收方的 IP 地址和端口号（对 UDP 必填，对 TCP 可选）
addrlen:dest_addr 指向的地址结构的大小（字节数），如 sizeof(struct sockaddr_in)

RETURN VALUE
       On success, these calls return the number of bytes sent.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

接收recvfrom()

recvfrom () 将接收到的消息放入缓冲区 buf 中。调用者必须在 len 中指定缓冲区的大小。

如果 src_addr 不为 NULL，且底层协议提供了消息的源地址，那么该源地址会被存入 src_addr 所指向的缓冲区。在这种情况下，addrlen 是一个 “值 - 结果参数”：调用前，它应被初始化为与 src_addr 关联的缓冲区大小；返回时，addrlen 会被更新为源地址的实际大小。如果提供的缓冲区过小，返回的地址会被截断，此时 addrlen 返回的值将大于调用时传入的值。

如果调用者不需要源地址，src_addr 和 addrlen 应设为 NULL。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
sockfd:通过 socket() 创建的套接字文件描述符（UDP 或 TCP 套接字）
buf:(void *)指向接收缓冲区的指针，用于存储接收到的数据
len:接收缓冲区的大小（字节数），即最多能接收的数据量
flags:接收选项标志，与 recv() 相同（如 MSG_PEEK 预览数据、MSG_WAITALL 阻塞等待完整数据等），通常设为 0
src_addr:struct sockaddr *（输出参数，需提前分配空间并强转为对应类型，如 IPv4 用 struct sockaddr_in *）用于存储发送方的地址信息（IP 地址和端口号）。若无需获取发送方地址，可设为 NULL
addrlen:socklen_t *（输入输出参数）
输入：src_addr 指向的地址结构的大小（如 sizeof(struct sockaddr_in)）
输出：实际存储的发送方地址结构的大小（可能小于输入值）
若 src_addr 为 NULL，addrlen 也应设为 NULL

IP协议

IP协议基础概念

 IP，指网际互连协议，Internet Protocol的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。

设计IP的目的是提高网络的可扩展性：

一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通；

二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则，IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务。

IP 协议的核心作用是实现不同网络之间的数据报（Datagram）传输，具体包括：

寻址：通过 IP 地址标识网络中的设备，确保数据能准确发送到目标节点。

路由选择：通过路由算法确定数据从源到目标的最佳路径（可能经过多个中间节点）。

分片与重组：当数据报大小超过网络链路的最大传输单元（MTU）时，将其分割为小分片，到达目标后重组。

子网掩码（Subnet Mask）

子网掩码是一个 32 位的二进制数，与 IP 地址配合使用，用于划分 IP 地址中的网络部分和主机部分，是实现子网划分的核心工具。

核心作用：

• 区分网络位与主机位

  子网掩码中，“1” 对应的 IP 地址部分为网络位，“0” 对应的部分为主机位。例如：

  • IP 地址：192.168.1.100（二进制：11000000.10101000.00000001.01100100）
  • 子网掩码：255.255.255.0（二进制：11111111.11111111.11111111.00000000）
    则网络位为前 24 位（192.168.1），主机位为后 8 位（100）。

• 判断两台设备是否在同一子网

  若两台设备的 IP 地址与子网掩码进行 “与运算” 后结果（网络号）相同，则它们处于同一子网，可直接通信；否则需通过网关转发。

网关（Gateway）

网关是不同网络之间的连接点或转发设备，本质是一个具有路由功能的 IP 地址（通常是路由器的局域网 IP），负责在不同子网或网络类型（如局域网与互联网）之间转发数据。

核心作用：

• 跨子网通信

  当设备需要与不同子网的设备通信时，数据会先发送到网关，再由网关转发到目标网络。例如：

  • 局域网内设备（192.168.1.100）访问互联网时，数据会先发送到网关（如192.168.1.1），再由网关转发到公网。

• 协议转换

  网关可在不同协议的网络（如以太网与 Wi-Fi）之间转换数据格式，确保通信兼容。

DNS 服务器（Domain Name System Server）

DNS 服务器是负责域名与 IP 地址转换的服务器，相当于网络中的 “通讯录”。

核心作用：

• 域名解析

  人类习惯使用域名（如www.baidu.com）访问网站，而计算机依赖 IP 地址（如180.101.50.242）通信。DNS 服务器会将域名解析为对应的 IP 地址，反之也可将 IP 地址反向解析为域名。

• 加速访问

  DNS 服务器会缓存解析结果，重复访问同一域名时可直接使用缓存，减少解析时间。

常见 DNS 服务器：

• 公共 DNS：如阿里云（223.5.5.5）、谷歌（8.8.8.8）、114DNS（114.114.114.114）。
• 本地 DNS：由网络服务商（ISP）提供，默认自动分配，解析速度通常较快。

eg:通过ping命令，查看本地机是否能够访问百度

三者的关系与协同工作

• 子网掩码确定设备是否在同一子网，决定数据是否需要网关转发；
• 网关负责跨网络数据的转发，是局域网接入外部网络的 “大门”；
• DNS 服务器解决 “域名到 IP” 的转换问题，让用户无需记忆复杂的 IP 地址即可访问网络。

IP 地址结构

IPv4地址结构

IPv4 地址为 32 位二进制数，通常以点分十进制形式表示（将 32 位分为 4 组 8 位二进制，每组转换为 0-255 的十进制，用小数点分隔，如192.168.1.1）。其核心是通过网络号和主机号区分设备所属网络及自身标识，划分方式经历了 “分类地址” 到 “无类别域间路由（CIDR）” 的演变。

分类地址（传统划分方式，已基本淘汰）

早期 IPv4 按地址前缀将地址分为 5 类，直接通过首几位二进制判断网络类型，固定网络号和主机号长度：

• 缺陷：分类地址导致地址浪费严重（如 A 类网络仅分配 126 个，却占用约 50% 的总地址空间），无法灵活适应不同规模网络。

无类别域间路由（CIDR，当前主流方式）

为解决分类地址的局限性，CIDR 采用可变长子网掩码（VLSM），通过 “网络前缀长度” 灵活划分网络号和主机号，格式为IP地址/前缀长度（如192.168.1.0/24）。

• 前缀长度：表示前 n 位为网络号（n 的范围 0-32），剩余（32-n）位为主机号。
• 子网掩码：与 IP 地址配合使用，通过 32 位二进制中 “1” 的位置标识网络号（如/24对应子网掩码255.255.255.0，前 24 位为 1）。

示例：

• 192.168.1.0/24：前 24 位为网络号（192.168.1），后 8 位为主机号（可分配 254 个主机地址：192.168.1.1到192.168.1.254）。
• 10.0.0.0/16：前 16 位为网络号（10.0），后 16 位为主机号（可分配 65534 个主机地址）。

特殊 IP 地址

• 网络地址：主机号全为 0 的地址（如192.168.1.0/24），标识整个网络本身，不可分配给设备。
• 广播地址：主机号全为 1 的地址（如192.168.1.255/24），用于向网络内所有设备发送数据。
• 回环地址：127.0.0.0/8网段（如127.0.0.1），用于设备自身测试（数据不经过物理网络）。
• 私有地址：仅用于局域网，需通过 NAT 转换为公网地址访问互联网，包括：10.0.0.0/8（A 类私有）172.16.0.0/12（B 类私有）192.168.0.0/16（C 类私有）

IPv6 地址结构

IPv6 地址为 128 位二进制数，以冒分十六进制形式表示（将 128 位分为 8 组 16 位二进制，每组转换为 0-FFFF 的十六进制，用冒号分隔，如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。其结构设计更灵活，支持自动配置和海量地址，且取消了分类概念，通过前缀区分网络。

表示规则（简化书写）

• 省略前导零：每组中开头的 0 可省略（如0000→0，0db8→db8）。
• 压缩连续零组：用::代替一组或多组连续的0000（仅能出现一次），如2001:0db8:0:0:0:8a2e:370:7334可简写为2001:db8::8a2e:370:7334。

地址结构与前缀

IPv6 地址通过前缀长度（类似 CIDR）划分网络号和接口标识，格式为IPv6地址/前缀长度（如2001:db8::/32）。

• 前缀长度范围 0-128，前 n 位为网络号，剩余（128-n）位为接口标识（类似主机号）。
• 接口标识通常由设备 MAC 地址转换生成（通过 EUI-64 格式），支持自动配置（无需 DHCP）。

特殊 IPv6 地址

• 未指定地址：::（128 位全为 0），表示 “无地址”，通常用于设备初始化时。
• 回环地址：::1，功能同 IPv4 的127.0.0.1，用于本地测试。
• 链路本地地址：前缀为fe80::/10，仅在本地链路（如同一局域网）内有效，用于邻居发现等本地通信，不路由到公网。
• 多播地址：前缀为ff00::/8，用于向一组设备发送数据（替代 IPv4 的广播），如ff02::1表示本地链路内所有节点。

IP 协议的局限性

• 无连接：发送数据前无需建立连接，无法保证数据的可靠到达（可能丢失、重复或乱序），需依赖 TCP 等上层协议提供可靠性。
• 无状态：路由器不记录数据报的传输状态，每次转发独立处理，灵活性高但难以实现复杂控制。

IP 协议的应用与延伸

• NAT（网络地址转换）：在 IPv4 中，通过将私有地址转换为公有地址，缓解公网地址不足的问题。
• 路由协议：如 OSPF、BGP 等，配合 IP 协议计算最佳路径，实现跨网络数据传输。
• IPv6 过渡技术：如双栈（设备同时支持 IPv4 和 IPv6）、隧道（将 IPv6 数据报封装在 IPv4 中传输），实现两种协议的平滑过渡。

在Linux系统中查看网络信息

netstat 是用于查看网络连接、路由表、接口统计等网络相关信息的命令行工具

参数:

-a:显示所有网络连接（包括 TCP、UDP）及监听状态（LISTEN），包含已建立的连接和等待连接的服务，示例输出会包含 LISTEN（监听中）、ESTABLISHED（已连接）等状态

-t:仅显示 TCP 协议相关的连接和服务，不包含 UDP

-u:仅显示 UDP 协议相关的连接和服务，不包含 TCP

-n:以数字形式显示 IP 地址和端口（而非域名或服务名，如显示 192.168.1.1:80 而非 example.com:http），加快查询速度

-l:仅显示处于 监听状态（LISTEN） 的服务，通常用于查看当前服务器开放的端口（如 Web 服务的 80 端口、SSH 的 22 端口等）

组合命令：

• netstat -tuln
  最常用的组合：显示所有 TCP（-t） 和 UDP（-u） 的 监听状态（-l） 服务，并以 数字形式（-n） 展示 IP 和端口
  适合快速查看本机开放的端口及对应服务。

• netstat -an
  显示所有连接（-a），包括已建立的连接和监听状态，并用数字形式（-n）展示，适合排查网络连接问题

• netstat -tn
  仅显示 TCP 协议的连接，以数字形式展示，可用于查看当前的 TCP 连接详情（如客户端 IP、端口等）

数据链路层 

数据链路层是 OSI 七层模型中的第二层，位于物理层之上、网络层之下，主要负责在相邻两个网络节点之间（如两个路由器、计算机与路由器之间）通过物理链路提供可靠的数据传输。它将物理层传输的原始比特流封装成帧，通过差错控制、流量控制等机制，确保数据在链路中准确、有序地传输。

MAC 地址

MAC 地址（Media Access Control Address，介质访问控制地址）是网络设备（如网卡、路由器接口等）在数据链路层用于唯一标识自身的物理地址，相当于设备在网络中的 “身份证”，确保数据能在同一链路中准确送达目标设备。

MAC 地址的基本特性

• 唯一性

  • 全球范围内，每个网络设备的 MAC 地址由生产厂商向 IEEE（国际电气和电子工程师协会）申请，确保全球唯一。
  • eg:同一品牌的两块网卡，MAC 地址绝对不同。

• 固化性与可修改性

  • 通常被烧录在网卡的 ROM 中，称为 “物理地址”，出厂后固定不变（即 “烧录地址”）。
  • 但操作系统允许通过软件临时修改 MAC 地址（如 Windows 的注册表、Linux 的 ifconfig 命令），用于隐私保护或网络准入绕过。

MAC 地址的格式与结构

MAC 地址为48 位二进制数，通常以6 组十六进制数表示，每组 2 位，组间用冒号（:）或连字符（-）分隔。eg：

• 00:1A:2B:3C:4D:5E（冒号分隔）
• 00-1A-2B-3C-4D-5E（连字符分隔）

48 位地址可分为两部分：

• 前 24 位：OUI（组织唯一标识符）
  • 由 IEEE 分配给网络设备制造商，代表生产厂商。eg: 00:1A:2B可能对应某品牌网卡厂商。
• 后 24 位：厂商自定义编号
  • 由厂商自行分配给每台设备，确保同厂商内不重复。

MAC 地址能否跨网络使用？
不能。MAC 地址仅在本地链路（同一广播域）有效，当数据通过路由器转发到其他网络时，帧的源 / 目的 MAC 地址会被路由器替换（仅保留 IP 地址不变）。

如何查看设备的 MAC 地址？

Windows：命令提示符输入 ipconfig /all，查看 “物理地址”

Linux/macOS：终端输入 ifconfig 或 ip link，查看 “ether” 字段

数据链路层的核心功能

• 帧封装与拆封

  • 将网络层传来的数据包（如 IP 数据报）加上帧头（包含源 / 目的 MAC 地址、控制信息等）和帧尾（校验字段），形成 “帧”，作为数据链路层的传输单位。
  • 接收端拆封帧，去除头部和尾部，将数据部分交给上层（网络层）。

• 差错控制

  • 通过校验机制（如 CRC 循环冗余校验）检测帧在传输中是否因噪声、干扰等出现错误。
  • 若检测到错误，通过重传机制（如 ARQ 自动重传请求）要求发送方重新发送出错的帧，确保数据正确性。

• 流量控制

  • 防止发送方发送数据过快，导致接收方因缓冲区不足而丢失数据。
  • 常见机制：滑动窗口协议（如 GBN 回退 N 帧、SR 选择重传），通过控制发送窗口大小限制发送速率。

• 链路管理

  • 负责数据链路的建立、维护和释放（如点对点协议 PPP 中的链路协商过程）。

• MAC 地址寻址

  • 通过帧头中的 MAC 地址（物理地址）识别同一链路中的不同节点，确保数据发送到正确的接收方（区别于网络层的 IP 地址寻址）。

数据链路层的重要协议与技术

• 点对点协议（PPP）

  • 用于点对点链路（如拨号上网、路由器之间的专线），支持多种网络层协议（IP、IPX 等），包含链路控制协议（LCP）和网络控制协议（NCP）。

• 以太网协议（Ethernet）

  • 局域网（LAN）中最常用的技术，基于共享信道，核心是 CSMA/CD（载波监听多路访问 / 冲突检测）机制：
    • 发送前监听信道，若空闲则发送；若忙碌则等待。
    • 发送中检测到冲突（多个节点同时发送），立即停止并发送干扰信号，避免数据混乱，随后通过退避算法重传。

• 无线局域网协议（如 802.11）

  • 针对无线信道的特殊性（易受干扰、信号衰减），采用 CSMA/CA（载波监听多路访问 / 冲突避免）机制，通过 RTS/CTS 握手减少冲突。

ARP地址解析协议

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是 TCP/IP 协议栈中的核心协议之一，工作在数据链路层和网络层之间，主要功能是将网络层的 IP 地址映射为数据链路层的 MAC 地址，确保数据帧能在局域网内准确送达目标设备。

ARP 的核心作用

在局域网通信中，网络层使用 IP 地址进行逻辑寻址（如确定 “发送到哪个网络节点”），而数据链路层需要 MAC 地址进行物理寻址（如确定 “通过网卡发送给哪个设备”）。ARP 协议的核心功能就是在已知目标 IP 地址的情况下，获取其对应的 MAC 地址，建立 IP 地址与 MAC 地址的映射关系，从而完成数据帧的封装和传输。

ARP 的工作原理与流程

ARP 的工作过程基于 “请求 - 应答” 机制，可分为ARP 请求和ARP 应答两个阶段

以主机 A 向同一局域网内的主机 B 发送数据为例：

• 检查 ARP 缓存

  主机 A 需要向主机 B（IP 地址：192.168.1.2）发送数据时，首先检查本地的ARP 缓存表（存储近期 IP 与 MAC 的映射关系，有超时机制，通常为 15-300 秒）。

  • 若缓存中存在 192.168.1.2 对应的 MAC 地址，则直接使用该 MAC 地址封装数据帧并发送。
  • 若缓存中不存在，则触发 ARP 请求流程。

• 发送 ARP 请求广播

  主机 A 构造一个ARP 请求帧，主要包含：

  • 源 IP 地址（主机 A 的 IP：192.168.1.1）和源 MAC 地址（主机 A 的 MAC：00:1A:2B:3C:4D:5E）；
  • 目标 IP 地址（主机 B 的 IP：192.168.1.2）和目标 MAC 地址（暂为广播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF）。
    该帧通过广播方式发送到局域网内的所有设备（因为目标 MAC 是广播地址，所有设备都会接收），内容可理解为：“谁拥有 IP 地址 192.168.1.2？请把你的 MAC 地址告诉我（192.168.1.1，00:1A:2B:3C:4D:5E）”。

• 接收并处理 ARP 请求

  局域网内所有设备收到 ARP 请求帧后，会检查帧中的目标 IP 地址是否与自身 IP 匹配：

  • 非目标设备（如主机 C、D）发现 IP 不匹配，直接丢弃该帧。
  • 目标设备（主机 B）发现 IP 匹配，会将主机 A 的 IP 与 MAC 映射关系存入自己的 ARP 缓存（便于后续向 A 发送数据时直接使用），然后构造ARP 应答帧。

• 发送 ARP 应答单播

  主机 B 的 ARP 应答帧包含：

  • 源 IP 地址（主机 B 的 IP：192.168.1.2）和源 MAC 地址（主机 B 的 MAC：AA:BB:CC:DD:EE:FF）；
  • 目标 IP 地址（主机 A 的 IP：192.168.1.1）和目标 MAC 地址（主机 A 的 MAC：00:1A:2B:3C:4D:5E）。
    该帧通过单播方式直接发送给主机 A，内容可理解为：“我是 192.168.1.2，我的 MAC 地址是 AA:BB:CC:DD:EE:FF”。

• 更新 ARP 缓存并通信

  主机 A 收到应答帧后，将主机 B 的 IP 与 MAC 映射关系存入 ARP 缓存，随后即可使用该 MAC 地址封装数据帧，向主机 B 发送数据。

反向 ARP（RARP）
通过 MAC 地址查询对应的 IP 地址。早期用于无盘工作站（无本地存储，无法预先配置 IP），工作站启动时发送 RARP 请求（包含自身 MAC），向 RARP 服务器申请 IP 地址。

硬件设备：

交换机（Switch）是局域网（LAN）中的核心网络设备，工作在 OSI 模型的数据链路层（第二层），主要功能是根据 MAC 地址转发数据帧，实现多个设备之间的高效、安全通信。与集线器（Hub）的 “广播转发” 不同，交换机通过学习 MAC 地址并构建转发表，实现 “点对点” 的数据转发，大幅提升网络性能。

网络字节序与主机字节序

在网络通信中，不同设备（如计算机、路由器）可能采用不同的字节存储顺序，这会导致数据传输时出现混乱（例如，一个 32 位整数在不同设备上可能被解析为不同的值）。为解决这一问题，引入了网络字节序和主机字节序的概念。

• 主机字节序（Host Byte Order）

  指计算机 CPU 内部存储多字节数据（如 int、long）时的字节顺序，由硬件架构决定，不同设备可能不同。常见的主机字节序有两种：

  注意：单字节数据（如 char）不存在字节序问题，因为只有一个字节。

  • 小端序（Little-Endian）：低位字节存于内存低地址，高位字节存于内存高地址。
    例如：整数0x12345678（十六进制）在小端序中存储为78 56 34 12（从低地址到高地址）。
  • 大端序（Big-Endian）：高位字节存于内存低地址，低位字节存于内存高地址。
    例如：整数0x12345678在大端序中存储为12 34 56 78（从低地址到高地址）。

• 网络字节序（Network Byte Order）

  为统一网络中数据的传输格式，规定所有网络协议必须使用大端序作为标准字节序，即网络字节序 = 大端序。

  无论发送端和接收端的主机字节序是大端还是小端，传输前都需将数据转换为网络字节序，接收后再转换为本地主机字节序。

字节序转换的常用函数

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

注：函数名中，h=host（主机），n=network（网络），s=short（16 位），l=long（32 位） 

结语：

无论你是初学者还是有经验的开发者，我希望我的博客能对你的学习之路有所帮助。如果你觉得这篇文章有用，不妨点击收藏，或者留下你的评论分享你的见解和经验，也欢迎你对我博客的内容提出建议和问题。每一次的点赞、评论、分享和关注都是对我的最大支持，也是对我持续分享和创作的动力