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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。
9 P8 H6 H/ v0 Q2 r1 D0 M  N

     "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）
( G+ x6 D% h  Z9 K9 v8 ?4 y

7 ?. {- n$ c( f
9 a/ B* k" W4 R& Y( C+ D) B; I

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
6 x. z# `3 M( f, _# F

       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

/ M$ k! K2 p* n! i3 g6 p

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）

# w! i# Y2 g$ t* t. O/ v

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）

, c  c) u0 W' H
0 X7 n, k0 D7 Z4 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。

2 W8 K0 B& W6 z' m* S$ c

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>
   
2. 
   2 V. v! `+ W7 U- b, w
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

    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。

/ w# L. x. N  F* Y    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 K; h4 W% y+ ^    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。
* }" `" D' N  }3 t
  l& [/ J# P: Z% |0 g  d    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：

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. 
   $ H* ]& W7 F3 _( L
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）
   
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。

5 w6 d' j% U$ S9 b* d. p6 R   
% C) M2 I2 _% }+ x1 d% q

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.    
   1 M% R* g! C0 b, {' h) t* g( J
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   " t' `4 }9 }4 |" x) M& r
4. 
   
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   ( O4 A  ^$ S" n/ Y+ u0 r4 ]
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;
   , E) }, M' _% U6 L4 @& t
2. .....
   & S4 g" B7 a( |) g5 s& H
3. fd_set set;
   
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   ! }6 i! R" D# {$ N# A6 Z6 n
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,
   
9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
   
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    " n. q3 s4 ^! {+ x4 o$ I
11. recv(s,...);
    
12. }
    
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. 
   4 `+ {' g* J# W
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   
4. 
   
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   # c0 p& c5 f6 ^" s
6. 
   6 F! B6 I6 v- p- o+ u
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   & L7 j7 u  v- \# n) e$ u
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

8 t$ U( W$ I; ]; j& 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。。。

客户端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   ' o9 R4 C, O3 N* q0 W) Y. f
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   ' S; B! ~3 a2 u" N3 n
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    ' ~/ S9 F! F* x1 a. h$ a
11. #include <sys/socket.h>
    / q7 Y1 |; D' P+ [; a+ ^1 |1 F
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(){
    ) u) |/ m+ s5 F5 m$ ?2 P
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    ' v# R& e+ O) k/ O
20.    
    6 k( {1 ~$ ~. B2 s- y) P2 O+ K
21.   //创建套接字
    ! C& w9 D+ y8 r/ M3 S6 w; U' S% k
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    . C! K! e( P( q. X, g
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    1 w5 U* l! }& @& l
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));
    6 t' _- J4 v4 J' z) O! F
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    1 N$ o" D$ h! a8 G; l1 N. Q
31.   
    ) ^5 ]- ^0 ~4 c/ V# u
32.   //向服务器发送请求
    : V: O$ d+ P! {* h2 Q
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    1 y3 r& `/ t% w) m$ [
35.    
      C6 i9 F/ u% v0 R3 T, [$ @6 |
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）
    
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    7 S* b' X" j) ]
39.   
    ! O4 F* v/ P& J! u' C, q! \
40.   while(1){
    
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
    : n% i3 @- L8 s: j0 b
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    # |3 e3 V# g/ O1 A
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    , U/ W3 o" b6 K# c- H
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
      t$ e9 F; U% J6 v3 [) m8 F
45.       perror("ERROR");
    , W/ Q  G$ N3 H" z" y
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    & o; D" |" R: ^( y7 R( p% _
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    2 S: c. t/ x4 U' w
50.    
    7 t% Z% u9 y; ^# o/ X2 t# e
51.     usleep(500000);
    
52.   }
    
53. }

复制代码

6 K) U  P5 X! F, q0 D8 ^

服务端：

1. #include <time.h>
   , M4 x' ^6 M) j- ?7 d" t, a
2. #include <stdio.h>
   8 g# K& D$ {! G; B8 a
3. #include <stdlib.h>
   " ~# u* {- d$ X
4. #include <string.h>
   ' B( m# [* w, W, k3 c' ?5 N' w$ e
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   ' o+ ^9 q" A1 y1 G
7. #include <netinet/in.h>
   / d) t: h+ b- C( E: l& L% f
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   - O( e* n. r$ o! U. M
10. 
    
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    0 F% |' r) @" u: ^
13. 
      u- Q. M( u5 w5 }3 ~
14. int main(){
    2 {$ e6 s% b3 [+ |% ~
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    # j6 W9 \6 y4 t2 L( H
16.   struct sockaddr_in addr;
    / o) o- N* v- G& c% c
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    2 z. y5 p5 L6 Q! S( S( ?" _
20.   fd_set fds;
    
21.    
    ; s& t+ B* @, i- {- T6 P$ m
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    " j1 O" O: `& O& d
24.   if(sockfd>=0)
    
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    0 l( |) a3 L  }5 R: e% p( @3 M
26. 
    2 h" D+ {: |9 `8 K4 [, ~% Q6 M
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));
    + S3 ]# N2 |$ v4 P# S6 j: w1 X' }
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    3 \% K& t; _; y$ {) Y2 j
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
    
32.    
    0 y9 B$ q/ M* `. W: a
33.   //将套接字于端口号绑定
    
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    7 Y# J  n" m; x
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    
36. 
    # p% W2 [1 [; D5 [0 u4 S8 R
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    2 T4 g- B  Y8 L+ y
41.   //默认所有fd没有被打开
    # J! S# V* _7 r; D- E9 H
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    
44. 
    ( }. v$ Y: F7 _0 G6 e
45.   while(1){
    2 S$ G( Q3 v( }$ H/ a/ p1 ?) A; Z
46.     //将服务端套接字加入集合中
    4 `3 `) L! S3 ]4 ~( N
47.     FD_ZERO(&fds);
    
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    % m0 o7 `7 D9 i& c6 @8 V4 Q8 Z
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    # e8 m" d+ }1 S7 c3 V% }: @
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
52.       if(is_connected[fd])
    ( F. m4 C% {9 Z
53.         FD_SET(fd,&fds);
    6 L- R& d& e$ p7 c
54. 
    $ k! p2 T# a8 ~0 z
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
    5 D1 ~* c/ _6 Z+ R- K- x
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    
57.       continue;
    
58. 
    
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++){
    2 E# N6 t# `# }7 G" M! d
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
    2 ?. }3 f* W) q" [+ ^" w) g
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    ) a% j2 ~/ Y/ W( x# }
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));
    " T& `- i4 M3 N% y+ U' u
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
    / D5 s) s4 a7 p! W8 z
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    2 A$ E: g+ R8 R- B
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    3 {7 {, X7 l* R/ j* _+ u" T: C
71.           }else{
    
72.              is_connected[fd]=0;
    % e; g, l+ W' d
73.              close(fd);
    2 ?5 C0 h2 d' C+ m2 }
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    4 n1 V$ s* @9 ~
76.         }
    2 W) g6 B, N6 o- H% d
77.       }
    % O9 j) `$ ^8 r  u, o7 U
78.     }
    , \1 m- ~. E2 Q$ N- V3 z2 ^
79.   }
    7 p7 N2 K1 B  `( W) G3 X
80. }

复制代码

( `4 A2 [3 I+ o  W) Y6 X) X- K

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