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标题: 编写一个简单的TCP服务端和客户端 [打印本页]

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作者: admin    时间: 2020-5-9 01:53
标题: 编写一个简单的TCP服务端和客户端

实验环境是linux系统，效果如下：

1.启动服务端程序，监听在6666端口上

2.启动客户端，与服务端建立TCP连接

3.建立完TCP连接，在客户端上向服务端发送消息

4.断开连接

实现的功能很简单，但是对于初来乍到的我费了不少劲，因此在此总结一下，如有错点请各位大神指点指点

" K0 ~1 e  g0 U2 x4 M+ H

什么是SOCKET（插口）：

     这里不用 "套接字" 而是用 "插口" 是因为在《TCP/IP协议卷二》中，翻译时也是用 "插口" 来表示socket的。
" k, r" I& \8 o; o$ {! R3 |

     "套接字" 这词不知道又是哪个教授级人物造出来的，听起来总是很怪，虽然可以避免语义上的歧义，但不明显。

      对插口通俗的理解就是：它是一个可以用来输入或者输出的网络端，另一端也具有同样相对应的操作。

      具体其他高级的定义不是这里的重点。值得说的是：

      每个插口都可以标识某个程序通信的一端，通过系统调用使得程序与网络设备之间的交流连接起来。

      应用程序 -> 系统调用 -> 插口层 -> 协议层 -> 接口层  ->发送（接收的话与之相反）
% M1 J1 K: q- p/ b: T- G9 d4 d; [4 d

0 ]! r7 q4 L. L/ y
; z9 E1 C- ?  ]% f

如何标识一个SOCKET：

       如上定义所述，可以通过地址，协议，端口三要素来确定一个通信端，而在linux C程序中使用 标识符 来标识一个

       SOCKET，Unix系统对设备的读写操作等同于对描述符的读写操作，标识符可以用于：插口 管道 目录 设备 文件等等

       描述符是个正整数，事实上他是检查表表项中的一个下标，用于指向打开文件表的结构。

       述符前三个标识符0  1  2 分别系统保留：标准输入（键盘），标准输出（屏幕），标准错误输出

       当我们使用新的描述符来创建socket时，他一般从最小未使用的数字开始分配，也就是3

8 h5 Q; f  g; T1 P/ i- J% R/ _

服务端实现的流程：

       1.服务端开启一个SOCKET（socket函数）

       2.使用SOCKET绑定一个端口号（bind函数）

       3.在这个端口号上开启监听功能（listen函数）

       4.当有对端发送连接请求，向其发送ack+syn建立连接（accept函数）

       5.接收或者回复消息（read函数 write函数）

客户端实现流程：

      1.打开一个SOCKET

      2.向指定的IP 和端口号发起连接（connect函数）

      3.接收或者发送消息（send函数  recv函数）

& {' E& w: B. E& Q" _

如何并发处理：

      如果按照以上流程实现其实并不难，但是有个缺陷，因为C语言是按顺序单一流程运行，也就是说如果

      直接在程序当中使用accept函数（建立连接）的话，那么程序会阻塞在accept这里，这是因为如果客户端

      一直没有发送connect连接，那么accept就无法得知客户端的IP和端口，也就只能一直等待（阻塞）直到

      有请求触发继续执行为止，这样就导致如果同时多个客户向服务端发送请求连接，那么服务端只能按照

      单一线程去处理第一个客户端，无法开启多个线程同时处理多个用户的请求。

如何解决：

下面摘文截取网上的资料，有兴趣者可以看看

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型，该函数用于在非阻塞中，当一个套接字或一组套接字有信号时通知你

1. int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, exceptfds, const struct timeval* timeout);

复制代码

所在的头文件为：

1. #include <sys/time.h>
   - \- e+ ^2 E/ Q$ a3 Y
2. 
   
3. #include <unistd.h>

复制代码

  功能：测试指定的fd是否可读，可写 或者 是否有异常条件待处理

( c- P$ a2 o% \7 u. w    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

; h5 B" O! X" y" e1 x8 A4 B    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

    exceptset用来检查是否有异常条件出现的文件描述字。(注：不包括错误)

2 H: a. i# G5 s" c9 P    timeout  用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。
, s2 O* R% Y, ?. q, W9 ^
    对于select函数的功能简单的说就是对文件fd做一个测试。测试结果有三种可能：
8 l" Y- q: S7 ^. B2 J

; e0 I$ d- r* p1 V% e5 e# |

1. 1.timeout=NULL                 （阻塞：select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件）
   
2. 
   : i9 o* q0 u% h1 `
3.     2.timeout所指向的结构设为非零时间  （等待固定时间：如果在指定的时间段里有事件发生或者时间耗尽，函数均返回）
   ' Z1 K0 J: U# L, b  J
4. 
   
5.     3.timeout所指向的结构，时间设为0   （非阻塞：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生）

复制代码

   返回值：

    返回对应位仍然为1的fd的总数。注意啦：只有那些可读，可写以及有异常条件待处理的fd位仍然为1。

    否则为0哦。举个例子，比如recv(), 在没有数据到来调用它的时候,你的线程将被阻塞,如果数据一直不来,

   你的线程就要阻塞很久.这样显然不好。所以采用select来查看套节字是否可读(也就是是否有数据读了) 。

   现在,UNIX系统通常会在头文件<sys/select.h>中定义常量FD_SETSIZE，它是数据类型fd_set的描述字数量，

   其值通常是1024，这样就能表示<1024的fd。
1 x: N6 `: F+ P" i
0 f/ w8 Q8 c; m' P" [& S   
- J+ z( F2 Q6 a; B4 l( a

fd_set结构体：

     文件描述符集合，用于存放多个fd（文件描述符，这里就是套接字）

       可以存放服务端的fd，有客户端的fd。下面是对这个文件描述符集合的操作：

1. FD_ZERO(*fds)：     将fds设为空集
   
2.    
   
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   9 f2 C* c, e8 }- p+ C
4. 
   4 u% U' D% \8 {9 z; q
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   / Z( _: j/ M' P! {; T
6. 
   
7. FD_ISSET(fd,*fds)： 判断fd是否属于fds的集合

复制代码

步骤如下

1. socket s;
   $ `. ?" l8 w: u- w3 P: @4 ^
2. .....
   
3. fd_set set;
   
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   7 [' y, m) ~$ q# V2 b
6. FD_SET(s, &set);                 //加入你感兴趣的套节字到集合,这里是一个读数据的套节字s
   
7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
   
8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
   6 x  e  ], l+ ]& f. e
9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
   " h; R/ r' Q. B
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    3 T8 e6 O' h( v3 g$ h/ G
12. }
    8 Z1 G. a  e! ^+ M
13. //do something here
    
14. }

复制代码

假设fd_set长度为1字节，fd_set中的每一位可以对应一个文件描述符，那么1字节最大可以对应8个fd

1. (1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);  则set用位为0000,0000。
   
2. 
   
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   2 [. H; g5 |$ ]* @/ t5 c$ @
4. 
   
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   
6. 
   
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   : s+ z2 ~/ z* G( M" q  G
9.    （5）若fd=1,fd=2                    上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

复制代码

1.可监控描述符的个数取决与sizeof(fd_set)的值

2.文件描述符的上限可以修改

3.将fd加入select监控集时，还需要一个array数组保存所有值

   因为每次select扫描之后，有信号的fd在集合中应被保留，但select将集合清空

   因此array数组可以将活跃的fd存放起来，方便下次加入fd集合中

   对集合fe_set与array进行遍历存储，即所有fd都重新加入fd_set集合中

   另外活跃状态在array中的值是1，非活跃状态的值是0

4.具体过程看代码会好理解

) A* c  v. o* P/ e& V, J9 L: s

使用select函数的过程一般是：

    先调用宏FD_ZERO将指定的fd_set清零，然后调用宏FD_SET将需要测试的fd加入fd_set，

    接着调用函数select测试fd_set中的所有fd，最后用宏FD_ISSET检查某个fd在函数select调用后，相应位是否仍然为1

     复制粘贴的摘文排版起来真的是痛苦，我已经尽力排版了。。。

% Q7 J, H; W/ V# ^  P

客户端：

1. #include <time.h>
   ( R9 `7 u, Q6 V+ C1 j
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    ! ~- e& _' a4 R: D" d2 i, |
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    4 O# b8 T- k: Q4 w
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    
15. 
    
16. int main(){
    
17.   int sockfd;
    / V5 R7 P. o- `! o$ X0 ~
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    $ e+ `# L9 x7 o) Z! _
20.    
    
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    1 q! P7 c9 d7 V# V9 K1 p
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
25. 
    
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    4 e8 j( S8 j7 e8 K  D
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    , K# c5 M! S' B! J5 S/ \: |: W( H
35.    
    : k9 g/ ?4 ?) n
36.   //接收服务器返回的消息（注意这里程序会被阻塞，也就是说只有服务器回复信息，才会继续往下执行）
    9 ~/ H/ w; ]5 K1 _4 |' ^+ `
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    
40.   while(1){
    7 \  D# W9 `- J, {: h
41.     //将键盘输入的消息发送给服务器，并且从服务器中取得回复消息
    $ F. e( f8 R+ @
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    5 @2 U) Z8 K# b4 `4 v
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    7 g( ^) d) o) H! r
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    " r$ o# n6 H# V, Y; Y
50.    
    3 v5 }, S$ A) D$ ]9 G: J$ P
51.     usleep(500000);
    ! @, A* r& _$ n; k+ U
52.   }
    7 v$ y6 u/ y: F- \, m- ]7 k
53. }

复制代码

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   * ~: J0 q# E* y8 T+ M1 D
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   4 U+ z, A. n$ w1 W0 y
9. #include <sys/socket.h>
   3 a9 \* Z) h/ |3 f9 v$ l# K0 T2 W2 E0 S
10. 
    9 l9 A* O/ V# k6 K. n% _
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    ) `  Y6 v1 u5 t; f" {( W- e0 n( U
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    
13. 
    + s2 F6 v' o% E. S0 U% \6 h
14. int main(){
    ; Y* D6 r/ K2 B# V
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    9 G$ \: ]5 M* o4 R
21.    
    1 V$ C6 C. I& h7 q
22.   //创建套接字
    ; t& |* @& `! W
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    5 O  u: z, R: I+ S
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    7 A/ e# `- w, ?& [0 Z: x
26. 
    
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    ( _" r' x4 J* |: U1 q( R
30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
    
31.   addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   //INADDR_ANY表示任意地址0.0.0.0 0.0.0.0
    7 ~# p3 N) ?) a" ]9 d6 u
32.    
    
33.   //将套接字于端口号绑定
    
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    3 t& f1 }) m: z& t  L
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    , Q% k. A* y7 K$ _6 Q* B! R# Z6 e
36. 
    
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    ( [7 T2 M* c) ~" K
40. 
    0 R- ~  F. a' P' h5 z1 R0 p
41.   //默认所有fd没有被打开
    
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    9 L1 N" [2 W' _) Q" {3 C9 V0 t" F
44. 
    
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    3 }5 w) @' G+ E4 e
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    7 d2 P" K4 _9 ?4 P( ?+ R! P- ^
52.       if(is_connected[fd])
    . L; E; [' I/ M6 y8 a0 ?; P
53.         FD_SET(fd,&fds);
    $ _; l% w# \5 L5 Z! s% e# e+ z+ _+ Y: R
54. 
    9 F9 X$ p9 f4 c4 L1 Y+ F* [
55.     //监视集合中的可读信号，如果某个套接字有信号则继续执行，此时集合中只有存在信号的套接字会被置为1，其他置为0
    - E7 ?0 e: k, S! k- m! ], i' @
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    
57.       continue;
    ; Q* w3 I! e, f4 U
58. 
    ' R- x* l0 Q& b( _# `
59.     //遍历所有套接字判断是否在属于集合中的活跃套接字
    
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    ( D5 m$ z; ?9 J! a
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    - @' E0 q* z- q4 u' e$ B
62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端，那么与客户端accept建立连接
    
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    ( L& d% {! P) e( X4 \: T
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    . P$ H& w* `( h; L
65.           is_connected[connfd]=1;                   //对客户端的fd对应下标将其设为活跃状态，方便下次调用
    
66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    & C* `. L3 e. E7 p+ n' k
67.         }else{                                      //如果套接字是客户端，读取其信息并返回，如果读取不到信息，冻结其套接字
    " h4 j0 O# W7 a) A- [- m0 L
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    6 ~# b9 q2 U% Y
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    . ~* ~6 ~8 f0 W5 ~  P6 t6 A
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    : f6 I4 U9 {- Q# Y) y- H4 R
71.           }else{
    
72.              is_connected[fd]=0;
    
73.              close(fd);
    $ U+ w" A' L5 x- v
74.              printf("close connected\n");
    & d$ e" D$ g2 A
75.           }
    
76.         }
    , o: e( K# u$ \1 ~/ W! z9 l" y7 V
77.       }
    
78.     }
    3 v1 f6 B) P% |( j' [
79.   }
    9 K2 ^( T; @- `# q/ ]4 ^* k! s6 U
80. }

复制代码

$ j3 J1 J9 x6 V9 u- O' Q* P2 \" O$ \


4 L# x: l2 R* K8 W" ^0 S

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