基于TCP的服务器端/客户端(1)

心已赠人 2022-05-26 13:07 354阅读 0赞

## 理解TCP和UDP    ##

TCP套接字面向连接的，因此又成为流的套接字。

TCP是传输控制协议的简写。

### TCP/IP协议栈 ###

![70][]

TCP/IP协议栈共分4层，可以理解为数据收发分成了4个层次化过程。

TCP：

![70 1][]

UDP：

![70 2][]

### 逐层了解TCP/IP协议栈： ###

### 1.链路层 ###

链路层是物理链接领域标准化的结果，也是最基本的领域，专门定义包括LAN,WAN,MAN等网络标准。

![70 3][]

### 2.IP层 ###

为了在复杂的网络中传输数据，首先考虑路径的选择。向目标传输数据需要经过哪条路径？解决此问题就是IP层，该层使用的协议就是IP。IP本身是面向消息的，不可靠的协议。IP协议无法应对数据错误。

IP层只关注一个数据包（数据传输的基本单位）的传输过程。因此，即使传输多个数据包，每个数据包也是由IP层实际传输的，也就是说传输顺序及传输本身是不可靠的。若只利用IP层传输数据，则有可能导致后传输的数据包B比先传输的数据包A提早到达。

并且有些数据包可能已损毁。

### 3.TCP/UDP层 ###

TCP和UDP层以IP层提供的路径信息为基础完成实际的数据传输，故该层成为传输层。

TCP协议按照如下对话方式进行数据交换：

![70 4][]

这就是TCP的作用。

TCP的功能：  
![70 5][]

TCP和UDP存在于IP层之上，决定主机之间的数据传输方式。

### 4.应用层 ###

选择数据传输路径，数据确认过程都被隐藏到套接字内部。

套接字就是提供的工具，只需利用套接字编写程序即可。

编写软件的过程中，需要根据程序特点决定服务器端和客户端之间的数据传输规则。这便是应用层协议。

## 实现基于TCP的服务器端/客户端 ##

### TCP服务器端的默认函数调用顺序 ###

![70 6][]

调用socket函数创建套接字，声明并初始化地址信息结构体变量，调用bind函数向套接字分配地址。

### 进入等待连接请求状态    ###

通过调用listen函数进入等待连接请求的状态。只有调用了listen函数，客户端才能进入可发出连接请求的状态。这时客户端才能调用connect函数。

![70 7][]

服务端处于等待连接请求状态是指，客户端请求连接时，受理连接前一直使请求处于等待状态。

![70 8][]

（服务器套接字就相当于是门卫。接受请求）

第一个参数传递文件描述符套接字。

第二个参数决定了连接请求等待队列的大小。

### 受理客户端连接请求    ###

![70 9][]

这个函数自动创建套接字，并连接到发起请求的客户端。

accept的调用过程：  
![70 10][]

### TCP客户端的默认函数调用顺序    ###

![70 11][]

服务器端通过调用listen函数创建连接请求等待队列,客户端通过connect()函数请求连接

![70 12][]

客户端调用connect函数后，发生以下情况之一才会返回（完成函数调用）：

\---服务器端接受连接请求。

\---发生断网等异常情况而中断连接请求。

接受连接并不意味着服务器端调用accept函数，其实是服务器端把连接请求信息记录到等待队列。

基于TCP的服务器端/客户端函数调用关系

![70 13][]

客户端只能等到服务器端调用listen函数后才能调用connect函数。

同时，客户端调用connect函数前，服务器端有可能率先调用accept函数。

此时，服务器端在调用accept函数时进入阻塞状态，直到客户端调用connect函数为止。

## 实现迭代服务器端/客户端    ##

编写回声（echo）服务器端/客户端。服务器端将客户端传输的字符串数据原封不动地传回客户端，就像回声一样。

### 实现迭代服务器端 ###

设置好等待队列的大小后，应向所有客户端提供服务。插入循环语句反复调用accept函数来继续受理后续的客户端连接请求。

![70 14][]

### 迭代回声服务器端/客户端 ###

程序的基本运行方式：

![70 15][]

迭代回声服务器端：

/* 回声服务器端echo_server.c */
    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<string.h>
    #include<unistd.h>
    #include<arpa/inet.h>
    #include<sys/socket.h>
    
    #define BUF_SIZE 1024
    
    void error_handling(char *message)
    {
    	fputs(message,stderr);
    	fputc('\n',stderr);
    	exit(1);
    }
    
    int main(int argc,char *argv[])
    {
    	int serv_sock, clnt_sock;
    	char message[BUF_SIZE];
    
    	int str_len, i;
    
    	struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    	socklen_t clnt_adr_sz;
    
    	if (argc != 2) {
    		printf("Usage : %s <port> \n",argv[0]);
    		exit(1);
    	}
    
    	serv_sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    	if (serv_sock == -1)
    		error_handling("socket() error!");
    
    	memset(&serv_adr,0,sizeof(serv_adr));
    	serv_adr.sin_family = AF_INET;
    	serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    	serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    
    	if (bind(serv_sock,(struct sockaddr*) &serv_adr,sizeof(serv_adr)) == -1)
    		error_handling("bind() error!");
    
    	if (listen(serv_sock,5) == -1)
    		error_handling("listen() error!");
    	
    	clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    
    	for (i = 0; i < 5; i++)				//迭代5次
    	{
    		clnt_sock = accept(serv_sock,(struct sockaddr*)&clnt_adr,&clnt_adr_sz);
    		if (clnt_sock == -1)
    			error_handling("accept() error!");
    		else 
    			printf("Connected client %d\n",i+1);
    
    		while((str_len = read(clnt_sock,message,BUF_SIZE)) != 0)
    			write(clnt_sock,message,str_len);
    
    		close(clnt_sock);
    	}
    	close(serv_sock);
    	return 0;
    }

回声客户端：

/* 回声客户端echo_client.c */
    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<string.h>
    #include<unistd.h>
    #include<arpa/inet.h>
    #include<sys/socket.h>
    
    #define BUF_SIZE 1024
    
    void error_handling(char *message)
    {
    	fputs(message,stderr);
    	fputc('\n',stderr);
    	exit(1);
    }
    
    int main(int argc,char *argv[])
    {
    	int sock;
    	char message[BUF_SIZE];
    	int str_len;
    	struct sockaddr_in serv_adr;
    
    	if(argc != 3) {
    		printf("Usage : %s <IP> <port>\n",argv[0]);
    		exit(1);
    	}
    	
    	sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    	if (sock == -1)
    		error_handling("socket() error!");
    
    	memset(&serv_adr,0,sizeof(serv_adr));
    	serv_adr.sin_family = AF_INET;
    	serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    	serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    
    	if (connect(sock,(struct sockaddr*) &serv_adr,sizeof(serv_adr)) == -1)
    		error_handling("connect() error!");
    	else 
    		puts("Connected.........");
    
    	while (1) {
    		fputs("Input message(Q to quit): ",stdout);
    		fgets(message,BUF_SIZE,stdin);
    
    		if (!strcmp(message,"q\n") || !strcmp(message,"Q\n"))		// 输入q/Q退出
    			break;
    
    		write(sock,message,strlen(message));
    		str_len = read(sock,message,BUF_SIZE-1);
    		message[str_len] = 0;
    		printf("Message from server: %s",message);
    	}
    
    	close(sock);
    	return 0;
    }

运行结果：

服务器端：

![70 16][]

客户端：

第一次连接：

![70 17][]

第二次连接：

![70 18][]

连接满5次后自动退出。

回声客户端存在的问题：

下面是echo\_client.c的第51-54行代码：

write(sock,message,strlen(message));
        str_len = read(sock,message,BUF_SIZE-1);
    	message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s",message);

以上代码有个错误假设：每次调用read,write函数都会以字符串为单位执行实际的I/O操作

客户端是基于TCP的，而TCP不存在数据边界，因此多次调用write函数传递的字符串有可能一次性传递到服务器端。此时客户端有可能从服务器端收到多个字符串，这不是我们希望看到的结果。

服务器端希望通过调用一次write函数传输数据，但如果数据太大，操作系统就有可能把数据分成多个数据包发送到客户端。在此过程中，客户端有可能尚未受到全部数据包时就调用read函数。

所有这些问题都源自TCP的数据传输特性。之后介绍解决方案。

完

[70]: /images/20220526/3cad8ac2fd8d4fb79576696e5164386d.png
[70 1]: /images/20220526/f176938b82dd4e7588628acc1efc8146.png
[70 2]: /images/20220526/a483c48f57764460956a7915c58d07df.png
[70 3]: /images/20220526/d1bb97db12214267bd5d02fe0605d29c.png
[70 4]: /images/20220526/b2c82eed0133413983de24297a9d52b1.png
[70 5]: /images/20220526/7c5a3d24026242f3a2d1a1694a65c0ce.png
[70 6]: /images/20220526/7fb1c40152fb45e5906d914017d1b6d6.png
[70 7]: /images/20220526/c4b664b765c246e782d40478c650c2a2.png
[70 8]: /images/20220526/377bb6f1f0f246bfaca84895014be5b6.png
[70 9]: /images/20220526/ba7cc0cbf9a84c7d9220b7f085a52cde.png
[70 10]: /images/20220526/a0eee59105eb4d11b123fba7059b3baf.png
[70 11]: /images/20220526/bac97f1329274c1287b17dcd0d22b77f.png
[70 12]: /images/20220526/4c779225b2404317bed12e15dba19a7f.png
[70 13]: /images/20220526/6375782a26e446bbaa59700826210134.png
[70 14]: /images/20220526/c4f47ffa4e95490986fa7d460d7c6d10.png
[70 15]: /images/20220526/2bbd58418a4b461bb4d7d90879094f0e.png
[70 16]: /images/20220526/aad80e7fa7ec40f8a903c6702d206973.png
[70 17]: /images/20220526/1555ab1862514f01967f19806cc48f1d.png
[70 18]: /images/20220526/ae1dece2ce8c4e8795c597396de41500.png