客户端整体流程#

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加载 Winsock 库
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    ↓
3
创建 UDP 套接字
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    ↓
5
填写服务端的 IPv4 地址和端口
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    ↓
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循环：发送数据 → 接收数据
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    ↓
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关闭套接字
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    ↓
11
卸载 Winsock 库

服务端先执行“接收”，所以客户端必须先执行“发送”。当前程序采用严格的一问一答顺序，还不能做到双方随时同时发言。

完整客户端代码

1
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
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#include<iostream>
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#include<Winsock2.h>
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#pragma comment(lib,"Ws2_32.lib")
6
using namespace std;
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int main() {
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  //1、加载库
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  WORD version = MAKEWORD(2, 2);
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  WSADATA data = {};
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  int err = WSAStartup(version, &data);
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  if (0 != err) {
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    cout << "WSAStartup fail" << endl;
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    return 1;
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  }
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  if (data.wVersion == version) {
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    cout << "WSAStartup success" << endl;
20
  }
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  else {
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    WSACleanup();
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    cout << "WSAStartup version error" << endl;
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    return 1;
25
  }
26
  //2、创建套接字
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  SOCKET s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
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  if (INVALID_SOCKET == s) {
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    cout << "socket error: " << WSAGetLastError() << endl;
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    WSACleanup();
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    return 1;
33
  }
34
  else {
35
    cout << "socket success" << endl;
36
  }
37
  sockaddr_in addrServer = {};
38
  addrServer.sin_family = AF_INET;
39
  addrServer.sin_port = htons(12345);
40

41
  addrServer.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("192.168.1.200");
42

43
  char sendBuf[4096] = "";
44
  char recvBuf[4096] = "";
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46
  sockaddr_in addrFrom = {};
47
  int size = sizeof(addrFrom);
48
  while (true) {
49
    // 3、发送数据
50
    cin >> sendBuf;
51

52
    int nSendNum = sendto(s,sendBuf,strlen(sendBuf) + 1,0,(sockaddr*)&addrServer,sizeof(addrServer));
53

54
    if (SOCKET_ERROR == nSendNum) {
55
      cout << "sendto error: " << WSAGetLastError() << endl;
56
      break;
57
    }
58

59
    // 4、接收数据
60
    int nRecvNum = recvfrom(s, recvBuf, sizeof(recvBuf), 0, (sockaddr*)&addrFrom, &size);
61

62
    if (nRecvNum > 0) {
63
      cout << "server say: " << recvBuf << endl;
64
    }
65
    else {
66
      cout << "recvfrom error: "<< WSAGetLastError() << endl;
67
      break;
68
    }
69
  }
70

71
  //关闭套接字 卸载库
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  closesocket(s);
73
  WSACleanup();
74
}

客户端代码细节#

服务端地址 addrServer

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sockaddr_in addrServer = {};
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addrServer.sin_family = AF_INET;
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addrServer.sin_port = htons(12345);
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addrServer.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("192.168.1.200");

• AF_INET：使用 IPv4
• htons(12345)：把主机字节序的端口号转换为网络字节序
• inet_addr(...)：把点分十进制的 IP 字符串转换为网络函数所需的整数形式
• addrServer 必须写在循环外，因为每次发送的目标都是同一个服务端

如果 inet_addr 在 Visual Studio 中出现弃用警告，通过在文件开头定义 _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS 关闭该警告

sendto

1
int nSendNum = sendto(
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    s,
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    sendBuf,
4
    strlen(sendBuf) + 1,
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    0,
6
    (sockaddr*)&addrServer,
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    sizeof(addrServer)
8
);

各参数含义：

1. s：UDP 套接字；
2. sendBuf：要发送的数据；
3. strlen(sendBuf) + 1：发送字符串内容及末尾的 \0；
4. 0：默认标志；
5. (sockaddr*)&addrServer：接收端，即服务端地址；
6. sizeof(addrServer)：服务端地址结构体的大小。

recvfrom

1
int nRecvNum = recvfrom(
2
    s,
3
    recvBuf,
4
    sizeof(recvBuf),
5
    0,
6
    (sockaddr*)&addrFrom,
7
    &size
8
);

各参数含义：

1. s：客户端 UDP 套接字；
2. recvBuf：保存接收到的数据；
3. sizeof(recvBuf)：接收缓冲区的容量；
4. 0：使用默认接收方式；
5. (sockaddr*)&addrFrom：输出参数，用于保存实际发送数据的一方的地址；
6. &size：输入时表示 addrFrom 的容量，输出时表示实际得到的地址长度。

调用成功后：

• nRecvNum 表示收到的数据字节数；
• recvBuf 保存服务端回复的数据；
• addrFrom 保存回复者的 IP 和端口；
• size 保存地址结构体的实际长度。

客户端与服务端的区别

客户端为什么不写 bind

不主动调用 bind 不等于客户端没有端口。只要通过网络发送数据，进程就必须使用端口：

• 客户端第一次发送数据时，如果没有显式绑定端口，操作系统会分配一个临时端口；
• 在这一次进程运行期间，客户端持续使用这个已分配端口；
• 进程关闭并重新运行后，系统下次分配的端口可能不同；
• 服务端必须使用固定端口，因为客户端需要提前知道应把数据发到哪里。

谁需要先等待接收，谁通常就需要提前绑定一个固定、可知的端口。

客户端也可以主动 bind。但若客户端和服务端运行在同一台计算机上，二者不能占用冲突的本地 IP/端口组合；在不同设备上，相同端口号可以分别使用，因为端口只要求在本机范围内满足唯一性约束。

至此，客户端实现结束

数据传输中的封装与解封装#

发送端逐层封装

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应用层：用户数据
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    ↓ 加 UDP 头（源端口、目的端口）
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传输层：UDP 报文段
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    ↓ 加 IP 头（源 IP、目的 IP）
5
网络层：IP 数据报
6
    ↓ 加帧头（源 MAC、目的 MAC）和帧尾/CRC
7
数据链路/物理传输：帧

• 端口用于找到主机中的具体进程；
• IP 地址用于跨网络找到目标主机；
• MAC 地址用于当前链路上的实际交付；
• CRC 用于检测帧在传输中是否发生错误。

接收端逐层解封装

接收端按相反顺序处理：

1. 检查目的 MAC 是否属于本机接口，并检查帧与 CRC；
2. 去掉帧头、帧尾，把 IP 数据报交给网络层；
3. 检查目的 IP，再去掉 IP 头；
4. 根据目的端口查找对应进程；
5. 若没有进程使用该目的端口，这份数据无法交付给应用；
6. 找到进程后去掉 UDP 头，最终得到原始用户数据。

必须记住的层次关系：

单播、组播和广播#

单播

• 一对一通信；
• 发送者指定一个目标设备；
• 本节 UDP 客户端与服务端的通信属于单播。

广播

• 一个设备发送，广播域内的所有设备都能收到；
• 发送者不关心接收者具体是谁；
• 可把一个子网简单理解为一个广播域；
• 普通路由器不会把二层广播无限转发到其他广播域，否则容易形成广播泛滥。

组播

• 一个设备向选定的一组成员发送；
• 类似只给群组成员发送消息；
• 与广播相比，组播关心“接收者是否属于目标组”，而广播域中的广播不挑选具体成员。

ARP 地址解析协议#

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）用于：

已知目标 IPv4 地址时，获取当前链路交付所需的目标 MAC 地址。

应用程序只填写目标 IP，底层在发送帧之前还需要目的 MAC，因此系统要进行 ARP 解析。

ARP 属于 TCP/IP 协议族，和 IP、TCP、UDP、ICMP、IGMP 等协议共同构成 TCP/IP 协议体系。

ARP 报文中的主要字段

抓包时还会看到以太网帧的 EtherType：ARP 帧对应 0x0806；这与 ARP 报文内部表示 IPv4 的协议类型 0x0800 不是同一个字段。

常见缩写：

• src：source，源；
• dst：destination，目的；
• sender：发送端；
• target：目标端。

ARP 请求与应答流程

假设 PC1 知道 PC2 的 IP，但不知道 PC2 的 MAC：

1. PC1 构造 ARP Request；
2. 请求中填写 PC1 的源 IP、源 MAC和 PC2 的目标 IP，未知的目标 MAC 填全 0；
3. PC1 使用广播发送请求，以太网目的 MAC 为 FF:FF:FF:FF:FF:FF；
4. 广播域内所有设备收到请求并比较目标 IP；
5. 目标 IP 不是自己的设备丢弃该请求；
6. PC2 发现目标 IP 是自己，生成 ARP Reply；
7. Reply 中带回 PC2 的 IP 和 MAC，并通常以单播回复 PC1；
8. PC1 取得 PC2 的 MAC，此后双方可以进行正常单播通信。

ARP 请求“谁是这个 IP”使用广播；对应主机回答“这个 IP 是我，我的 MAC 是……”使用单播。

ARP 代理

广播不会跨越普通路由器传播。当目标主机不在本地广播域时，本地主机的 ARP 广播不能直接到达远端主机。

路由器可以代替远端目标对本地主机作出 ARP 应答，使发送端得到路由器接口的 MAC，并把后续帧交给路由器；路由器再将数据转发到外部网络。替目标主机作出这种响应的路由器称为 ARP 代理。

免费 ARP

主机开机或配置网络时，可以发送一个“目标 IP 也是自己的 IP”的 ARP 请求，这类报文称为免费 ARP。

主要作用：

1. 检测 IP 冲突：正常情况下不应有另一台主机对“自己的 IP”作出响应；若收到响应，说明本地网络存在重复 IP；
2. 通告/更新地址映射：告诉广播域内其他主机自己的 IP 与 MAC，使对方新增或更新 ARP 缓存。

ARP 缓存表

操作系统维护 IP 与 MAC 的对应关系。发送数据前并不是每次都立即广播 ARP 请求，而是：

1
先查 ARP 缓存
2
├─ 找到映射：直接使用对应 MAC 发送
3
└─ 未找到映射：发送 ARP Request → 收到 Reply → 写入缓存 → 再发送数据

缓存空间有限，记录还带有时间信息；长期未使用或过期的旧记录会被删除。这样既减少广播，又能让地址变化后重新解析。

DNS 域名解析#

DNS 的作用

便于人记忆的域名解析为网络通信需要的 IP 地址

以访问 www.163.com 为例：

1. 主机先查询本地缓存/本地 DNS 服务器；
2. 若未命中，本地 DNS 向根 DNS 服务器查询；
3. 根服务器不保存全球所有具体主机记录，而是告知 .com 顶级域服务器的位置；
4. 本地 DNS 再向 .com 顶级域服务器查询；
5. 顶级域服务器告知负责 163.com 的权威 DNS 服务器；
6. 本地 DNS 向权威服务器查询 www.163.com 的 IP；
7. 得到结果后返回给客户端，并把结果写入缓存。

两类查询思路：

• 由本地 DNS 逐级询问，每一级告诉下一步该问谁；
• 某一级服务器继续代为向下查询，最终把结果逐级返回。

对应理解为迭代查询和递归查询。

DNS 缓存

• 本地主机和 DNS 服务器都会利用缓存；
• 不只可以缓存“域名 → IP”，也可以缓存已查询过的域服务器地址；
• 首次访问较冷门域名时可能较慢，因为要逐级查询；
• 后续访问若缓存仍有效，可以直接取出结果；
• DNS 缓存也会过期，过期后需要重新查询。

路由数据转发过程#

路由表记录什么

路由器保存路由表，核心信息包括：

• 目的网络；
• 到达该目的网络应交给哪个下一跳；
• 应从哪个接口发送。

路由器不一定知道从当前位置到目标的完整路径，只需要知道当前这一跳应把数据交给谁。

每一跳的处理过程

1. 路由器接口收到目的 MAC 属于自己的帧；
2. 去掉当前链路的帧头，取出 IP 数据报；
3. 查看目的 IP，根据路由表选择下一跳和出口接口；
4. 为下一段链路重新封装帧；
5. 新帧的源 MAC 是当前路由器出口接口 MAC；
6. 新帧的目的 MAC 是下一跳设备/路由器接口 MAC；
7. 下一台路由器重复同样过程，直到目标主机。

IP 与 MAC 在转发中的区别

• 源 IP 和目的 IP表示端到端的通信双方，转发途中基本保持不变；
• 源 MAC 和目的 MAC 只服务于当前一段链路，每经过一个路由器都要重新封装和改变；
• 目标主机收到的帧中，源 MAC 通常是最后一跳路由器接口的 MAC，而不是远端源主机的 MAC。

路由信息的学习与变化

路由器会与相邻路由器交换可达网络信息，使“某网络应交给哪个下一跳”逐步传播。

现实网络中的设备和链路会变化，路由信息也要动态更新；如果更新消息到达顺序不同或信息暂时不一致，可能出现错误路由、绕路或丢包。

因此该图示是对实际复杂路由过程的简化。