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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

: ~" Z% K! ^' x% i/ `9 c

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。
: T2 r& Z5 ]$ @

     "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）

. U7 Z) d3 r2 \1 M5 Z6 r5 p9 _

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 \0 l; W" |1 g0 P: ^# E  ]

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）

) P8 F+ J: G! i4 t8 O" r0 h

! d! P. N  L' X: A- Z$ y4 ?  R

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。

6 H1 u& Q$ ]' G! X  h8 J0 N! w% N
4 ^& u  _3 u3 n* M' q

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>
   / T1 `  }: {/ I4 o& S
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

    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

% d+ Q" f" t7 g! i2 W4 t    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)

    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。

  z4 }% ^# X. H0 A    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. 
   
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）
   5 a3 C! e! C2 S0 L5 v8 H. w" \' ~
4. 
   1 Y/ ^0 z9 r# _
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。

# ^  x) u* Z6 C7 U5 E* [   

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
   - y. J2 D* L* N6 U5 A* b7 K
2.    
     [- e5 x" L$ V6 ]
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   
4. 
   ! d7 I& k$ M" `4 ?) q' w6 m$ j
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;
   
2. .....
   ( `4 A1 M# |, S
3. fd_set set;
   , g+ s0 h: J1 |* i% X3 F  W
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   + }* R& q8 C& o( ?1 j
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
   . n  O  R: y( X+ 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,
   8 J  g9 x% O/ D" h0 D" }; ~
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
    
11. recv(s,...);
    2 z: _; d. h% @* G) e/ G, \  [2 Y
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. 
   
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   
4. 
   ) `; U! h# ]2 e$ M
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. 
   
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

! `/ ^" p. {$ ?+ H; M; S& D

使用select函数的过程一般是：

2 i6 z+ ~' v9 @% |% J8 G    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>
     [" |; y5 Y7 H; {; I
3. #include <stdlib.h>
   0 p8 }: d5 O* E
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   ' w" l; H, P! x  ?- @
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   * D( v( `5 }) A8 \# x
10. #include <sys/types.h>
    5 C  J4 a" f& I$ D' V
11. #include <sys/socket.h>
    ! C- f- S7 `- v/ [
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    4 Y: g4 T. X( a9 J! T# [% S
15. 
    ! d  g- [( }4 r) K4 t- A$ N
16. int main(){
    
17.   int sockfd;
    , a7 K: i4 @# r" L9 }& v) M" {
18.   struct sockaddr_in addr;
    & e9 s$ |' Z# n9 a9 r7 [$ k, P! }
19.   char msgbuffer[256];
    $ I9 l& f. e9 {% @; F* u9 v
20.    
    ( r+ K7 {; y4 A) ]
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    ' ]) B$ y: r- F4 X: d' s; U
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    5 K% T3 y/ A  m- E. }2 W! o% |/ c) b
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;
    " K4 Q% W" w2 q1 D  j
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    2 n; p2 z  V9 {( E/ a
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    7 U  [4 y2 X: X* ~, a2 f
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    " R& n0 o6 C6 i0 |
34.     printf("connect successfully\n");
    ) H+ }: i6 m( D  H. U# e
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）
    , ^- n3 l4 R& ~
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    ) h* |2 O0 D5 [! p
39.   
    / S) r- R* P$ H5 F1 k8 A' m6 [
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
    
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    $ }3 w" D$ y2 m: A/ D( p
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    / g# \- F( T9 |; l1 `
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    3 M; k  X6 R( j/ ^8 I! I
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    / F$ X7 }0 u* H8 n0 j7 H( i0 ~
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    7 n8 L. y2 P8 v7 S7 \. C
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    7 O# \/ D: t/ c, o$ [4 u: ~
51.     usleep(500000);
    ! Z- D" b8 S7 Y% J( U! t2 ~5 w
52.   }
    % n. _% S! C7 K
53. }

复制代码

3 ?" R/ f5 G6 m0 _
6 ?; d  Y% A. J+ e0 z

服务端：

1. #include <time.h>
   0 \/ ]  _7 j2 h0 R, ^8 `
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   - ?, G) |+ w1 x. _. M( |7 k
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   1 u% n' L$ ?6 H8 t/ j# F
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   
10. 
    ' |% [2 S0 ]: _; |: _5 Q
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    / w7 v  x. z- S6 U# {- ?. H, R0 b
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    # \: n! b+ H8 o+ ?2 i! K
13. 
    
14. int main(){
    0 c& Y* j  }/ O, C- @1 E* `- r, C
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    ( A. s; s5 y$ V
16.   struct sockaddr_in addr;
    1 `% u/ D1 R  r% s& y
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    2 g7 u% D0 s: `6 f3 p
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    
21.    
    ) l4 P# W$ [3 a9 j! j! N6 q
22.   //创建套接字
    4 [5 E: x- O  v- D
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
26. 
      z6 ^- H: U# W% w
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));
    " n1 A$ ?- j9 ?1 h
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    
30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
    & S' G0 L8 O' [: l" }$ Q
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.    
    
33.   //将套接字于端口号绑定
    4 N- o5 N, K" E& G
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    3 W! f, k0 b; d4 \
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    
36. 
    
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    ) D. z+ v! `+ @8 e" N
40. 
    
41.   //默认所有fd没有被打开
    8 M% Z/ J7 Q# G9 k: W4 |
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    7 t9 [7 ~4 M9 _8 _% J3 n
44. 
    ; l7 e% ^" z) Y8 {
45.   while(1){
    9 ~" |9 L* ]; U" `
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    7 ~7 b5 i/ {; N7 a
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    0 g1 M: m9 E& H& }$ r5 Y
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    + u* o2 n, \9 O' i& b
52.       if(is_connected[fd])
    7 Q: i# ~' T3 p  f+ ^# t
53.         FD_SET(fd,&fds);
    $ Q9 W9 P, C" @1 \) M; G
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
    6 X! Q; ~- D& O# Q$ ~
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    4 C+ u$ Q* n4 m* ~. H
57.       continue;
    
58. 
    6 _, V4 `; g9 s1 \! J
59.     //遍历所有套接字判断是否在属于集合中的活跃套接字
    8 Y+ S# b) {  ?1 k
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    + k' V' a& ]& q; B1 n6 u3 u
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    # O8 Q: H7 \# a5 u( w
62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端，那么与客户端accept建立连接
    4 L4 k# q& u# u# L7 o; H) E6 Q! Q
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    
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
    6 s. e, e1 d1 y1 u) k
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    + p8 `6 A" x" Y( V0 h+ L
71.           }else{
    6 E- H% ]6 B4 f( P% p) G
72.              is_connected[fd]=0;
    & U6 l$ m3 |& G, Z  p: g; p0 x/ f
73.              close(fd);
    2 l9 v" a; p/ y  j0 x4 y4 F
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    ; {. L' a: _- I/ }7 M6 |
76.         }
    
77.       }
    8 W% x+ M, ~% U% I* y1 }
78.     }
    
79.   }
    4 A5 F$ G/ n; U% o  c, U
80. }

复制代码

2 k0 p8 t0 D1 w% x( e* R6 F2 k

3 p; E7 M2 A3 _3 t# }
( `. N( t( G# _6 \2 A! F

---

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