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网络编程基础

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Socket套接字

概念

Socket（套接字）是计算机网络数据结构，它是TCP/IP网络环境下应用程序与底层通信驱动程序之间运行的开发接口。

  • 本质：它是对 TCP/IP 协议族的封装，提供了一套调用接口（API）。可以把它看作是网络通信的“端点”。
  • 标识：一个 Socket 通常由 IP地址 + 端口号 唯一确定，代表着网络上的一个特定进程。
  • 作用：将应用程序与具体的 TCP/IP 隔离开发，使得程序员不需要深究网络协议的复杂细节，通过调用 Socket API 就能实现网络传输。

方式与类型

根据底层协议的不同，Socket 开发接口可以提供面向连接和无连接两种服务方式。在 Socket 中，主要分为以下三种类型：

流式套接字 (Stream Socket) → 对应 SOCK_STREAM

  • 底层协议：基于 TCP 协议。
  • 特点：
    • 面向连接：通信前必须先建立连接（三次握手）。
    • 可靠性高：保证数据按顺序、无重复、无丢失地到达。
    • 无记录边界：数据像流水一样传输，接收端可能一次接收多个包的数据，也可能半个包（需要开发者自己处理粘包/分包问题）。
    • 开销大：因为要维持连接状态和保证可靠性。
  • 适用场景：文件传输、HTTP网页访问、SSH 远程登录等对数据完整性要求高的场景。

数据报式套接字 (Datagram Socket) → 对应 SOCK_DGRAM

  • 底层协议：基于 UDP 协议。
  • 特点：
    • 无连接：发送数据前不需要建立连接，直接把数据包扔到网络上。
    • 不可靠：不保证数据是否到达，不保证到达顺序，可能会丢包。
    • 保留记录边界：发送端发几次，接收端就收几次，每次接收都是一个完整的数据报（不存在粘包问题）。
    • 开销小，速度快：没有握手和重传机制的负担。
  • 适用场景：视频/音频流媒体直播、在线游戏、DNS查询等对实时性要求高、能容忍偶尔丢包的场景。

原始套接字 (Raw Socket) → 对应 SOCK_RAW

  • 工作层次：前两者工作在传输层（应用层直接调用），而原始套接字工作在网络层。
  • 特点：
    • 允许绕过传输层（TCP/UDP），直接访问底层协议（如 IP、ICMP、IGMP）。
    • 可以用来构造自定义的网络报文。
    • 通常需要管理员/Root 权限才能创建。
  • 适用场景：网络抓包工具（如 Wireshark 的底层实现）、网络扫描工具（如 Nmap）、自定义网络协议开发、Ping 命令（基于 ICMP）等。（注：这在逆向和安全攻防中非常常用）

核心对比：流式(TCP) vs 数据报式(UDP)

特性流式套接字 (SOCK_STREAM / TCP)数据报式套接字 (SOCK_DGRAM / UDP)
连接性面向连接 (需建立连接)无连接 (直接发送)
可靠性可靠 (保证送达)不可靠 (可能丢包)
数据顺序保证顺序不保证顺序
数据边界无边界 (字节流，需处理粘包)有边界 (一个个独立的数据报)
传输速度相对较慢快
资源开销大小

Socket 编程基本流程

网络编程通常分为服务端（Server）和客户端（Client）。以下是基于最常用的 TCP (流式套接字) 的标准编程流程：

TCP 服务端流程 (Server)

  1. socket()：创建套接字。
  2. bind()：绑定本机的 IP 地址和端口号（告诉系统我监听哪个门）。
  3. listen()：将套接字设为监听模式，准备接收连接请求。
  4. accept()：阻塞等待，直到有客户端连接过来，返回一个新的专门用于和该客户端通信的 Socket。
  5. recv() / send()：通过新的 Socket 接收和发送数据。
  6. close()：通信完毕，关闭套接字断开连接。

TCP 客户端流程 (Client)

  1. socket()：创建套接字。
  2. connect()：向服务端的 IP 和端口发起连接请求（触发三次握手）。
  3. send() / recv()：连接成功后，发送和接收数据。
  4. close()：通信完毕，关闭套接字。

网络字节序 (大端与小端)

  • 主机字节序：我们个人电脑（x86架构）通常是小端模式（Little-Endian），即低位字节存放在低地址。
  • 网络字节序：TCP/IP 协议规定，网络上传输的数据必须是大端模式（Big-Endian），即高位字节存放在低地址。
  • 编程注意：在绑定 IP 和端口时，必须使用系统提供的转换函数（如 htons() 将主机端口转为网络端口，inet_addr() 转换IP地址），否则网络通信会失败。

使用方式

初始化与清理 WinSock

在 Windows 操作系统中，网络通信依赖于 ws2_32.dll。在调用任何 Socket API 之前，必须调用 WSAStartup 函数来加载这个库并初始化其内部数据结构；程序结束时，需要调用 WSACleanup 来释放相关资源。

(注：WSA 代表 Windows Sockets API)

#include <iostream>
#include <WinSock2.h>
#include <WS2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // 告诉链接器链接 winsock 库
#include <iphlapi.h>
#pragma comment(lib, "iphlapi.lib")

通常在 main() 函数的最开始进行初始化：

#include <iostream>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // 告诉链接器链接 winsock 库
 
int main() {
    // 1. 定义一个 WSADATA 结构体，用于接收系统返回的 Winsock 实现信息
    WSADATA wsaData;
    // 2. 指定需要的 Winsock 版本，通常使用 2.2 版本 (主版本号2，副版本号2)
    WORD wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2); 
    // 3. 调用 WSAStartup 初始化
    int err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
    if (err != 0) {
        std::cout << "WSAStartup 初始化失败，错误码: " << err << std::endl;
        return -1; // 初始化失败，程序退出
    }
    /* 
     * ==========================================
     *  这里开始你正常的 Socket 编程逻辑
     *  socket() -> bind() -> listen() -> ...
     * ==========================================
     */
    // 4. 程序结束前，清理 Winsock 释放资源
    WSACleanup(); 
    return 0;
}
  • MAKEWORD(2, 2)：这是一个宏，用来把两个数字拼成一个 WORD（16位无符号整数）。它告诉操作系统：“我想使用 Winsock 的 2.2 版本”。
  • WSAStartup(版本号, &wsaData)：
    • 如果成功，返回 0。
    • 如果失败，返回错误码（不用调用 WSAGetLastError()，直接看返回值）。
    • wsaData 参数会被操作系统填入当前系统支持的 Winsock 版本信息。
  • WSACleanup()：解除与 ws2_32.dll 的绑定，释放系统分配的资源。有几次 WSAStartup 就应该对应有几次 WSACleanup。

获取信息

主机名

//获取主机名
char szHostName[MAX_PATH]{0};
if (gethostname(szHostName,MAX_PATH)==0){
    printf("主机名:%s\r\n",szHostName);
}

适配器IP

//获取本机IP
//AF_IENT(ipv4)  AF_IENT6(ipv6)
hostent * phost = gethostbyname(szHostName)

for (size_t i=0;i != NULL&&phcst->h_addr_list[i] != NULL;i++){
    //int_ntoa 网络字节转换成点分十进制的字符串
    char * szHostip=int_ntoa(*(in_addr *)phost->h_addr_list[i]);
    printf("主机IP:%s\r\n",szHostip);
}

通过网址获取IP

char * hostname = (char*)"www.vultop.com"

ADDINFOA hints;
ADDINFOA * result;
ADDINFOA * node;

in_addr addr;

memset(&hints,0,sizeof(ADDINFOA));
//运输层协议设置 SOCK_STEAM(TCP) SOCK_DGRAM(UDP)
hints.ai_socktype=SOCK_STREAM;
//IP协议版本
hint.ai_family=AF_INET;
//匹配所有IP地址
hints.ai_flags=AI_PASSIVE;
//匹配所有协议
hint.ai_protocol=NULL;

//获取网站信息
if (getaddinfo(hostname,&hints,&result)==0){
    for(node=result;node!=NULL;node=node->ai_next)
    {
        addr.s_add=((sockeadr_in*)(node->ai_addr)).sin_addr.s_addr;
        printf("网站地址:%s\r\n",inet_ntoa(addr));
    }
}

freeaddrinfo(result);

获取网卡（适配器）信息

PIP_ADAPTER_INFO AdapterInfo=NULL;
ULONG ulLength = sizeof(PIP_ADAPTER_INFO);
ULONG ulRet = GetAdaptersInfo(NULL,&ulLength);
if (ulRet == ERROR_BUFFER_OVERFLOW){
    //开辟结构空间
    AdapterrInfo = (IP_ADAPTER_INFO*)malloc(ulLength);
    
    //获取适配器信息
    ulRet = GetAdaptersInfo(AdapterInfo,&ulLength);
}

if (ulRet == NO_ERROR){
    while(AdapterInfo){
	    printf("网卡名称:%s\r\n",AdapterInfo->AdapterName);
	    printf("网卡描述:%s\r\n",AdapterInfo->Description);
	    printf("MAC地址：");
	    for(size_t i = 0;i<AdapterInfoLength;i++){
	        printf("%02X",AdapterInfo->Address[i]);
	        if(i<5){
	            printf("-");
	        }
	    }
	    printf("\r\n");
	    printf("适配器类型:%d\r\n",AdapterInfo->Type);
	    printf("IP地址:%s\r\n",AdapterInfo->IpAddressList.IpAddress.String);
	    printf("子网掩码:%s\r\n",AdapterInfo->IpAddressList.IpMask.String);
	    
	    //指向下一个适配器
	    AdapterInfo=AdapterInfo->Next;
    }
}

获取DNS信息

#include <windows.h>
#include <iphlpapi.h>
#include <stdio.h>

#pragma comment(lib, "IPHLPAPI.lib")

void GetDnsInformation() {
    DWORD ulLength = 0;
    
    // 第一次调用 GetNetworkParams 获取所需缓冲区大小
    DWORD dwRet = GetNetworkParams(NULL, &ulLength);
    if (dwRet == ERROR_BUFFER_OVERFLOW) {
        // 分配所需的内存空间
        PFIXED_INFO pFixedInfo = (PFIXED_INFO)HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, ulLength);
        if (pFixedInfo == NULL) {
            printf("Memory allocation failed.\n");
            return;
        }

        // 第二次调用 GetNetworkParams 获取具体的网络参数
        dwRet = GetNetworkParams(pFixedInfo, &ulLength);
        if (dwRet == NO_ERROR) {
            printf("== 本地计算机 DNS 信息 ==\n");
            printf("Host Name: %s\n", pFixedInfo->HostName);
            printf("Domain Name: %s\n", pFixedInfo->DomainName);

            // 遍历 IP_ADDR_STRING 链表获取所有 DNS 服务器
            PIP_ADDR_STRING pCurrentDnsServer = &pFixedInfo->DnsServerList;
            int count = 1;
            while (pCurrentDnsServer != NULL) {
                // 判断地址是否非空
                if (pCurrentDnsServer->IpAddress.String[0] != '\0') {
                    printf("DNS Server %d: %s\n", count++, pCurrentDnsServer->IpAddress.String);
                }
                // 指向下一个 DNS 服务器节点
                pCurrentDnsServer = pCurrentDnsServer->Next;
            }
        } else {
            printf("GetNetworkParams failed with error: %d\n", dwRet);
        }

        // 释放已分配的内存空间
        HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pFixedInfo);
    } else {
        printf("GetNetworkParams failed initially with error: %d\n", dwRet);
    }
}

关系图谱