一定要懂的基礎 - 全圖解 Linux 網路原理實戰開發

前言
網路程式設計的應用領域非常廣泛，幾乎涵蓋所有與電腦和網際網路相關的產業，是每位開發者必備的技能。如果你對網路程式設計還不瞭解，那麼本書一定能幫你打開網路程式設計世界的大門。

寫作背景
網路程式設計技術是一項偏應用的技術。偏應用的技術有一個特點，就是需要學習的知識點特別多。然而，筆者認為，之所以要學習這麼多知識點，是因為開發者對技術的理解浮於表面，不懂得技術實現的底層原理。例如，當我們學習Linux 系統中的管道（用於行程間通訊）和sendfile（零拷貝技術，用於提高網路傳輸效率）兩個知識點時，需要花費一定的時間。如果你對底層技術很了解（核心原始碼），就會發現它們都是基於管道（環形緩衝區）實現的，這兩個看似毫無關係的知識點，底層實現原理居然是一樣的。理解了底層實現原理，再去學習這兩個知識點，就可以大大地提高學習效率。

對於Linux 開發者來說，最有價值的內容藏在Linux 的核心原始碼中。我們碰到的絕大部分Linux 技術問題能從Linux 核心原始碼中找到本質原因。然而，實際情況是，大部分Linux 開發者看不懂Linux 核心原始碼，並且認為學習Linux 核心原始碼的難度非常高。於是，筆者萌生了一個想法：結合Linux 核心原始碼分析，把技術知識的本質講解清楚。目前，市面上的大多數教材偏向於教你如何用，如函式介面如何使用、針對用戶端和伺服端如何程式設計等。如果只停留在使用層面，那麼當遇到問題或者需要對軟體架構進行最佳化時，往往無能為力。

我們再來聊聊為什麼選網路程式設計這個主題？主要有以下幾個原因：網路程式設計這項技術很重要，每位開發者都需要掌握；很多開發者的網路程式設計基礎比較薄弱，只會照搬別人的程式碼；筆者一直從事Linux 網路開發工作，對網路程式設計和Linux 核心網路協定堆疊的工作原理非常了解。

圖書定位
開始寫這本書之前，我對這本書就有了明確的定位。

首先，這本書必須具有稀缺性。市面上已經有了很多關於網路程式設計的書，為什麼還要寫一本呢？因為市面上還沒有一本「有趣」的網路程式設計書。這種趣味性主要體現在圖文並茂的表達方式，本書共有200 多張配圖，盡量做到每個重要的知識點都配一張圖。底層的技術往往是枯燥並且難以理解的，透過圖文方式講解可以降低大家的學習門檻，讓大家在輕鬆愉悅的氛圍中學會技術知識。另外，讀者的技術水準是參差不齊的，有些問題對於一些讀者很簡單，但是對於另一些讀者來說很難，以圖文方式講解能夠最大程度顧及所有的讀者。

其次，這本書的內容要過硬。沒有硬核的內容，再漂亮的圖文也只是花瓶。我希望讀者學完本書後，能夠真正理解網路程式設計，所以在圖書內容的選擇上一直要求很高。這種高要求體現在以下兩個方面。

• 內容全面：本書共14 章，覆蓋網路程式設計各個方面的知識點，內容由淺入深，層層遞進。全面的內容能夠幫助讀者建立完整的知識體系並加強系統性思維。相反，碎片化的知識並不會給讀者帶來多大的提升。

• 內容有深度：這種深度體現在把知識點講解透徹，把問題的本質呈現出來。如果筆者的資訊來源和讀者一樣，都是網路上的各種貼文、文章，或者是AI 給出的答案，那麼筆者輸出的內容只能是大眾化的，價值一定非常有限。筆者的資訊主要來自Linux 核心原始碼，這樣能夠最大程度保證資訊的準確性。同時，直接閱讀核心原始碼，能夠遮蔽垃圾資訊的干擾，直接揭露問題的本質。

本書能夠解決實際問題，每個知識點都配備範例（如範例程式碼、設定指令、完整解決方案等），這些範例都是完整的，可以直接拿來使用，以便於讀者進行除錯，透過實作加深對理論知識的理解。

最後，我希望本書能夠成為讀者的朋友，希望讀者能夠把這本書擺在書桌上最顯眼的位置，當碰到問題或者有空閒時，隨手拿起來翻一翻。

這本書能給你帶來什麼
學完這本書，讀者的網路程式設計水準一定會有很大程度的提升。這不僅能夠幫你解決實際問題，也會影響你的職業生涯。對於技術人員來說，技術水準不僅直接決定了薪資待遇，還是職位晉升的重要條件，學好網路程式設計會增加你求職成功的機率。

除了上述實際價值，這本書也會改變你對技術的看法。透過本書，你會發現，技術知識不是一堆難以理解的「八股文」，而是一個個鮮活的生命。學習技術知識就像學習藝術一樣，能夠讓我們的精神愉悅。

最後，我想對讀者說，從現在開始，一定要學會做內容輸出。我們可以嘗試輸出一些筆記、文章、影片等，輸出的過程其實也是學習的過程，這個過程會讓你看到自己的不足，倒逼自己進步。另外，持續輸出內容，也會讓你慢慢累積自己的影響力，讓你變得越來越有價值。

前言
網路程式設計的應用領域非常廣泛，幾乎涵蓋所有與電腦和網際網路相關的產業，是每位開發者必備的技能。如果你對網路程式設計還不瞭解，那麼本書一定能幫你打開網路程式設計世界的大門。

寫作背景
網路程式設計技術是一項偏應用的技術。偏應用的技術有一個特點，就是需要學習的知識點特別多。然而，筆者認為，之所以要學習這麼多知識點，是因為開發者對技術的理解浮於表面，不懂得技術實現的底層原理。例如，當我們學習Linux 系統中的管道（用於行程間通訊）和sendfile（零拷貝技術，用於提高網路傳輸效率）兩個知識點時，需要花...

▍第1 章 電腦網路基礎
1.1　 OSI 參考模型
1.2　 TCP/IP
1.3　 兩台主機直連
1.4　 區域網路通訊
1.5　 跨網段通訊

▍第2 章 認識通訊端
2.1　 從不同角度看 Socket
2.2　 從核心看Linux 接收資料
2.3　 從核心看Linux 傳送資料
2.4　 常見 Socket 介紹

▍第3 章 Socket 程式設計基礎
3.1　 位元組序
3.2　 Socket 位址
3.3　 IP 位址轉換
3.4　 網域名稱與 IP 位址的轉換
3.5　 Socket核心函式
3.6　 Socket 發送函式
3.7　 Socket 接收函式

▍第4 章 TCP Socket 程式設計
4.1　 TCP 程式設計基礎
4.2　 TCP Socket 程式設計基礎
4.3　 優雅關閉 Socket
4.4　 TCP 連線快速開啟
4.5　 SYN Flood 攻擊

▍第5 章 UDP Socket 程式設計
5.1　 UDP 程式設計基礎
5.2　 UDP 通訊端程式設計基礎
5.3　 UDP 可靠性程式設計

▍第6 章 伺服器模型
6.1　 迴圈伺服器
6.2　 並行伺服器
6.3　 I/O 多工伺服器
6.4　 本章小結

▍第7 章 I/O 模型
7.1　 同步I/O 和非同步I/O 的區別
7.2　 阻塞I/O
7.3　 非阻塞I/O
7.4　 I/O 多工
7.5　 訊號驅動I/O
7.6　 非同步I/O

▍第8 章 I/O 多工
8.1　 從核心看select
8.2　 select 程式設計實戰
8.3　 select 小結
8.4　 從核心看poll
8.5　 poll 程式實戰
8.6　 poll 小結
8.7　 從核心看epoll
8.8　 epoll 程式設計實戰
8.9　 epoll 小結

▍第9 章 通訊端選項
9.1　 通訊端選項簡介
9.2　 setsockopt 和getsockopt 函式
9.3　 sysctl 相關知識
9.4　 常用的通訊端選項

▍第10 章 原始通訊端
10.1　 從核心看原始通訊端
10.2　 網路層原始通訊端
10.3　 鏈結層原始通訊端
10.4　 使用者層TCP/IP 程式設計

▍第11 章 網域通訊端
11.1　 網域通訊端基礎
11.2　 SOCK_STREAM 網域通訊端
11.3　 SOCK_DGRAM 網域通訊端
11.4　 socketpair 網域通訊端
11.5　 傳遞檔案描述子

▍第12 章 群播和廣播
12.1　 群播
12.2　 群播程式設計
12.3　 廣播
12.4　 廣播程式設計

▍第13 章 零複製
13.1　 傳統檔案傳輸
13.2　 零複製技術
13.3　 零複製網路程式設計

▍第14 章 百萬高併發
14.1　 開啟百萬個通訊端檔案
14.2　 建立上百萬個網路連線
14.3　 百萬高併發常見問題
14.4　 Reactor 模型

▍第1 章 電腦網路基礎
1.1　 OSI 參考模型
1.2　 TCP/IP
1.3　 兩台主機直連
1.4　 區域網路通訊
1.5　 跨網段通訊

▍第2 章 認識通訊端
2.1　 從不同角度看 Socket
2.2　 從核心看Linux 接收資料
2.3　 從核心看Linux 傳送資料
2.4　 常見 Socket 介紹

▍第3 章 Socket 程式設計基礎
3.1　 位元組序
3.2　 Socket 位址
3.3　 IP 位址轉換
3.4　 網域名稱與 IP 位址的轉換
3.5　 Socket核心函式
3.6　 Socket 發送函式
3.7　 Socket 接收函式

▍第4 章 TCP Socket 程式設計
4.1　 TCP 程式設計...