编辑“︁网络编程基础”︁

{{DISPLAYTITLE:网络编程基础}}

'''网络编程基础'''是计算机网络领域的核心概念，涉及通过编程实现不同设备间的数据通信。本文将从基础原理、协议栈、套接字编程到实际应用逐步展开，适合初学者和需要巩固知识的开发者。

== 概述 ==
网络编程指利用计算机网络协议（如TCP/IP）在应用程序之间传输数据的过程。其核心目标是：
* 实现可靠或不可靠的数据传输
* 处理网络延迟、丢包等现实问题
* 提供跨平台的通信接口

关键组件包括：
* '''IP地址'''：设备的网络标识（如<code>192.168.1.1</code>）
* '''端口'''：应用程序的通信端点（0-65535）
* '''协议'''：通信规则（TCP/UDP/HTTP等）

== 核心概念 ==

=== OSI与TCP/IP模型 ===
网络通信基于分层模型，最常用的是TCP/IP四层模型：

<mermaid>
graph TD
    A[应用层 HTTP/FTP] --> B[传输层 TCP/UDP]
    B --> C[网络层 IP/ICMP]
    C --> D[网络接口层 Ethernet/WiFi]
</mermaid>

=== 套接字(Socket) ===
套接字是网络编程的基本抽象，类型包括：
* '''流式套接字'''（SOCK_STREAM）：面向连接的TCP通信
* '''数据报套接字'''（SOCK_DGRAM）：无连接的UDP通信

=== 字节序问题 ===
网络传输使用'''大端序'''（Big-Endian），与主机字节序可能不同，需用以下函数转换：
* <code>htons()</code> - 主机到网络短整型
* <code>htonl()</code> - 主机到网络长整型
* <code>ntohs()</code> - 网络到主机短整型
* <code>ntohl()</code> - 网络到主机长整型

== 编程实践 ==

=== TCP客户端/服务端示例 ===
以下Python示例展示基础TCP通信：

==== 服务端代码 ====
<syntaxhighlight lang="python">
import socket

server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
server_socket.bind(('0.0.0.0', 8080))
server_socket.listen(1)

print("等待连接...")
conn, addr = server_socket.accept()
print(f"连接来自: {addr}")

data = conn.recv(1024)
print(f"收到数据: {data.decode()}")
conn.sendall(b"Message received")
conn.close()
</syntaxhighlight>

==== 客户端代码 ====
<syntaxhighlight lang="python">
import socket

client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
client_socket.connect(('127.0.0.1', 8080))

client_socket.sendall(b"Hello Server!")
response = client_socket.recv(1024)
print(f"服务端响应: {response.decode()}")
client_socket.close()
</syntaxhighlight>

==== 执行流程 ====
1. 启动服务端后进入监听状态
2. 客户端连接并发送"Hello Server!"
3. 服务端回应"Message received"
4. 客户端打印响应后关闭连接

=== UDP示例 ===
UDP不需要建立连接，代码更简洁：

<syntaxhighlight lang="python">
# UDP服务端
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.bind(('0.0.0.0', 9999))
data, addr = sock.recvfrom(1024)  # 阻塞等待数据
sock.sendto(b"UDP Response", addr)
</syntaxhighlight>

== 高级主题 ==

=== 非阻塞I/O ===
通过设置套接字非阻塞模式实现异步通信：
<syntaxhighlight lang="python">
sock.setblocking(False)  # Python示例
try:
    data = sock.recv(1024)
except BlockingIOError:
    print("暂无可用数据")
</syntaxhighlight>

=== 多路复用 ===
使用<code>select</code>同时监控多个套接字：
<syntaxhighlight lang="python">
import select

readable, _, _ = select.select([sock1, sock2], [], [], 5)
for s in readable:
    data = s.recv(1024)
    print(f"从{s.getpeername()}收到数据")
</syntaxhighlight>

== 实际应用场景 ==
* '''即时通讯软件'''：混合使用TCP（消息）和UDP（语音/视频）
* '''物联网设备'''：MQTT协议基于TCP实现轻量级通信
* '''网络游戏'''：UDP传输实时位置数据，TCP处理关键指令

== 常见问题 ==
{| class="wikitable"
|-
! 问题 !! 解决方案
|-
| 连接被拒绝 || 检查服务端是否启动、防火墙设置
|-
| 数据粘包 || TCP是流协议，需自定义消息边界（如长度前缀）
|-
| 高延迟 || 使用Nagle算法优化或选择UDP协议
|}

== 性能优化 ==
* '''缓冲区大小'''：根据MTU（通常1500字节）调整
* '''连接池'''：复用TCP连接减少握手开销
* '''压缩算法'''：对文本数据使用gzip/zstd压缩

数学上，TCP吞吐量可用以下公式估算：
<math>Throughput \leq \frac{Window\ Size}{RTT}</math>
其中：
* Window Size：通告窗口大小
* RTT：往返时间

== 扩展阅读 ==
* RFC 793 - TCP协议规范
* UNIX Network Programming（W. Richard Stevens著）
* Beej's Guide to Network Programming（免费在线资源）

[[Category:计算机科学]]
[[Category:面试技巧]]
[[Category:计算机网络]]