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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

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。
$ x1 K! b. U0 j8 t

     "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）

: `2 M3 r4 p' J7 P

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

4 `: t3 q0 f) G9 M9 l5 H

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）

% Y3 d3 H$ X- r3 x
9 p6 u7 F7 ]% Y. l

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）

( i! ^* E# w" f& d
# U8 g1 P- [7 K' _* k: c
, {0 [6 U7 x& l

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。

  ?: z9 [9 @! w+ }) X/ B% r9 k9 e

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>
   ; `/ y% a0 E7 A
2. 
   $ s2 ], b( O( d+ b" |% h& \7 ~
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

$ i: m6 d' I' U+ f) W: h5 ~6 u    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

* L& j/ }. c1 d$ R( g# T2 m    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)

+ x* A# o9 `- X7 q6 G5 `    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。
1 h# Y  b' j6 v( Z( X
$ p$ p# h3 T; `    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：
2 F- O% x7 `7 u

+ ^- s" ?& `0 Y) l$ \( ]! A

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 |; _% B/ }# r5 g
2. 
   + g4 L( x/ ~2 v1 N2 ]! x
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）
   ( Z* J' b1 O! [# Z& i
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。
- b( B2 ^" S& X3 g$ w
1 T' |( k  x* B: u   

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.    
   ' R  Q6 v) a6 r1 y+ F3 P& I
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   2 Z$ V3 n3 }! d7 q1 V" a0 o  O+ o
4. 
   
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   
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;
   5 E# a( O. M. K( `
2. .....
   ! k6 n1 n! j" U0 K; Q
3. fd_set set;
   ' k$ n& }" u5 `8 t$ ?4 C& [6 T
4. while(1){
   8 D, e3 b& a1 Z- z# Y
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   3 J7 K' |: u1 E; c; V' r* 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
     J$ W1 o& }. g' [- A' F+ a9 W4 a
7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
     z4 R/ T; [3 s: s
8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
   
9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
   ' c+ Z1 V8 ~( `9 R  K% m1 h8 B
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    4 ~$ V% v! z/ o+ ~3 r$ b; k, y, K
12. }
    " n' T) ?2 P; g* `- }7 K+ o7 R
13. //do something here
    ! g: @; j0 \, M! x# M, `& N5 H
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. 
   + u  b8 O4 Y+ j
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   1 _8 s5 n, E$ ~4 l$ [; k
4. 
   
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   
6. 
   7 f# Y& |9 d& S" Z# N0 B+ x$ ?/ N
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   
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

7 t7 O# B' n1 B9 Z" Q

使用select函数的过程一般是：

0 L0 _8 N+ u! }    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。。。
. ]& h6 h' }/ b+ ]

7 ]- N! s% h8 V- O

客户端：

1. #include <time.h>
   7 d& U+ L: A8 Z
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>
   / K% x0 J( E+ N; g! n
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    : W( i0 @+ x& n  j
11. #include <sys/socket.h>
    
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    
15. 
    
16. int main(){
    2 Y4 G5 _, a- Z3 c) Y! D0 ^* ^
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    + a% Y) m) t. m7 e) V- d! b7 b
23.   if(sockfd>=0)
    ( o5 @+ _1 W# Y9 F$ ?( T9 d
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));
    ; N7 E4 @) y; G: w, H0 _) Y
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    ) l% m* }* n, S) Q& c: A
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    8 ~6 {( V7 S% K* j0 f. P* q
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    : r% {3 ^: c/ N
34.     printf("connect successfully\n");
    : A8 O, v/ j3 A- ?6 y
35.    
    
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）
    ' G7 ?: M0 r. x" e8 X) A  O( O
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    3 v3 L% O% F+ I0 w
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    8 @1 L! q; U0 w, x
39.   
    
40.   while(1){
      Q) i0 r5 f9 i0 u0 ^) e, w0 _
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
    
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    0 |) l: z2 }/ n. F" e5 W: Q7 O
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    : ?/ J1 j0 T7 F8 J% H7 `
45.       perror("ERROR");
    + ^2 C' q3 K& b
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    2 c) F2 ^; k2 z4 I* U6 X9 Q2 G
51.     usleep(500000);
    ' V/ B- c. Z$ d4 u
52.   }
    2 {8 Z: a4 C) ^* Z0 J7 I
53. }

复制代码

3 y& N# T8 e5 }: V: h( |$ s5 d* Q# D- r

服务端：

1. #include <time.h>
   % O3 E6 |" Y; ^2 ]( H4 F# H- n
2. #include <stdio.h>
   ! z2 A+ G& a6 Q
3. #include <stdlib.h>
   ) K+ U4 t" W1 x; Q* N4 F  A& q
4. #include <string.h>
   / W) ]6 J5 X% b0 b
5. #include <unistd.h>
   ! f8 M4 _6 o, ~5 e
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   : h: }$ X/ _) H! l! V
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   
10. 
    
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    + m' M- U) n1 f+ r" g/ e4 f0 Y
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
      z+ ^2 q+ Y/ w3 ^6 t+ o1 H' t
13. 
    
14. int main(){
    & H+ W6 ]) A6 F! @, w/ Q
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    ' s% q% R( w0 }: ?2 c" Q- i; D& F6 X' b
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    & _5 U1 r, X+ G  R" R3 E
18.   char msgbuffer[256];
    ! @. s3 `& p! f
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    1 D- P5 Y6 [- e  _7 ^4 k
21.    
    
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    ; K0 k8 k6 z8 F
24.   if(sockfd>=0)
    4 r5 N, ]' Q' r& m* {# y
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
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;
    
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
    & V. a0 S7 l* T3 U; V, F
32.    
    : L& A8 ~3 G& L# S( ?. C/ U
33.   //将套接字于端口号绑定
    
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    7 b# a. T5 R! x8 p/ @/ B. D4 q" w
36. 
    / t  d6 b1 T) l
37.   //开启端口监听
    $ u+ `9 ^2 {6 M; H1 L7 ?8 Z
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    6 w# V) q7 n/ V9 c
41.   //默认所有fd没有被打开
    
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    / r* O1 `- s& p! k% r% U/ j
44. 
    
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    ! a* P8 d+ N, ~8 b" ]- L; i
47.     FD_ZERO(&fds);
    
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++)
    * o: K+ L6 u) y% A
52.       if(is_connected[fd])
    
53.         FD_SET(fd,&fds);
    6 a( s/ q# E# l7 `4 ?) @
54. 
    
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
    , m' \! }6 ]) q' c+ b7 v
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    
57.       continue;
    / U0 k9 \; Q  y% \$ L; D; t0 y* w
58. 
    + Y! h$ S4 i( S. ~# N, R
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++){
      H, G. i0 C; H3 l2 \
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    
62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端，那么与客户端accept建立连接
    / d4 S/ K) V6 ]. p
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    , W3 b+ y2 ?9 w7 k1 c
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));
    
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
    & N3 [" \6 I9 ^) C; y
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    , O+ R( z) O) O, ?- C
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    + m* @( E! V( c
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    ( S4 J9 b/ i3 U$ k! Q% C3 I
71.           }else{
    , K; S1 @) w* I4 [. n: N
72.              is_connected[fd]=0;
    , ~' H' I4 G  ]* R7 L6 W9 w
73.              close(fd);
    # |: U9 n* Z4 Q% b+ q
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    1 m1 |2 d% z8 o3 ~$ T- Y+ u
76.         }
    
77.       }
    6 j. k3 n; {" t& A3 j* W  ^0 W
78.     }
    
79.   }
    , t  v  i& ~- O) b
80. }

复制代码

: n8 C8 E& T3 l6 x2 {; d0 w
2 P4 q# [/ M  a  t

1 s! @7 S3 t1 l+ T6 \! Z+ G9 A

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