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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

+ l( e1 K  e# s; U

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。

     "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）
8 z& V/ s8 l" t# B1 u4 S; G

& B4 c. |" X( o  n: `$ {

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
4 l3 V% e) l+ |; K, J

       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

& ?# i; Q+ u* c1 G0 x

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）

8 ?9 r/ Y% ^3 m' n0 O9 L7 {7 O

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）

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>
   , ]  D/ g- a0 h9 ?! s* x1 _
2. 
   & `) H8 L" k  {, B! a# K- N
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

" F$ D9 c9 d+ |  y. f    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

* y, P3 q7 ~: P& Q9 @5 l    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

' T$ e/ ~- `! \0 {& E: D- ?" o  Q    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。

; b! H( h& R6 ?  W& v, x$ q    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：
* K$ J6 i& y; K

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. 
   0 i, ~* j+ `6 g* z  i+ o" {" A
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）
   ! m7 x- N+ ?! _5 A! s/ @
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。
% z  ]5 U: u# T% z! N. n' N3 }/ 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.    
   0 ?  _, j' W2 ]# [4 I  [( v
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   * N/ s4 f" I9 s# }! k' Z
4. 
   % F9 n0 ^' G) w; h9 D" O( d, A
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. .....
   
3. fd_set set;
   / |. N2 a9 ?6 k
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   
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
   : y1 b2 l2 C, O" L$ W7 x+ j' o$ o
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
    . ]1 [  i0 g; a2 g+ M$ X2 Z
11. recv(s,...);
    
12. }
    
13. //do something here
    / q' l2 V" C' V, g; k- ^3 k
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. 
   1 q; F. {7 \' ^
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   
4. 
   / n( ]4 E2 @4 B  _  ?
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   
6. 
   3 }9 a& C2 T' ^" r3 J6 I
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   8 z/ U" j- _9 a! l6 O
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

9 E. v. g; f3 }1 C, g( L6 h3 A

使用select函数的过程一般是：

1 Q$ {+ S( B6 z' o# P! @% q0 K    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。。。
+ m! h, G  `: j" D9 ]

客户端：

1. #include <time.h>
   0 g9 z* q! u) F+ a# u7 ]) q
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   ( H7 K3 h: y( P1 M& X7 }
5. #include <unistd.h>
   % j5 ~/ F4 e! m- p5 T! w
6. #include <arpa/inet.h>
   : W5 `" O/ {* s+ b# V
7. #include <netinet/in.h>
   6 {- X# [% Z' {
8. #include <fcntl.h>
   : u7 c# D9 _) P8 N; }+ i; N& a
9. #include <sys/stat.h>
   4 l' Y/ F: X* I( g# p( j
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    : u# e$ w( H, M! }" z! u' L. a
12. 
    % J" |( f# {$ {( R
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(){
    ( b- q+ ?8 g" M6 o
17.   int sockfd;
    ! B; S7 V( G7 y" X( J6 W
18.   struct sockaddr_in addr;
    ; p2 M2 b: u5 Q7 u1 e, L* b
19.   char msgbuffer[256];
    1 v9 V* R+ |3 k5 _; U
20.    
    
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
23.   if(sockfd>=0)
    . P( ~" o" |) Z# g6 m7 _
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
    : p4 O5 m% V8 V! u, W
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    3 C- E! y# N4 b: r* S
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    5 T/ f3 A8 C$ x" o
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    # Q' H7 F$ ^3 {) E3 Z! ~8 L+ c
31.   
    9 O& X& a/ r/ l' J! d
32.   //向服务器发送请求
    ) C4 C& Q: E# Y. T# P8 [1 |$ P6 ^
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    ! M7 V# [# E: s: i5 l% O4 U% Z
34.     printf("connect successfully\n");
    + o' X4 w5 q: e# c/ P5 T
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）
    ! f- p& w0 t3 Z( D& A
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    
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
    2 U* E; N. X1 a9 v" o
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    # Q2 v& i& w1 d* j% y; L, h
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    " X/ R3 x2 S* t# e. N
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    ; N5 u  [; K7 P3 t, `# `
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    
51.     usleep(500000);
    
52.   }
    * t# J4 P: w" R; p& y
53. }

复制代码

* Z2 ~% M  Y! u4 ]& L
: w5 ~+ c' j: b( [$ T' v

服务端：

1. #include <time.h>
   : L4 `1 Z7 u' D- u
2. #include <stdio.h>
   & Q0 e6 Y. b. B1 R1 w9 C9 l
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   : N. d7 `6 N/ C* q5 N) A
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   1 f9 @; |9 G8 P: h
7. #include <netinet/in.h>
   ) B; c  l, b! g; {. b
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   
10. 
      l8 Y! e. j/ W
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    ( J2 V9 K0 s" T6 m8 K
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    
13. 
    
14. int main(){
    
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];
    - w8 Y# N% R9 h4 e$ }: d
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    ' z. K" z8 G0 S
21.    
    
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    1 ?' C5 B. ~' ^( Q( f# E9 y
24.   if(sockfd>=0)
    
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    ; F( R; M3 D! Y+ \
26. 
    $ X1 T* s. j" ~( c' m+ W8 V" V
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    # X$ n9 G4 z* ~$ }. D, w
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    * F$ U4 c9 Z6 ^2 S; D; }; v6 k9 B
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    
30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
      V/ y. s2 Y0 A, [; p4 I% F- a
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
      ?! x8 ^( Z" {
32.    
    . o7 k, R4 M/ E3 _& e" |4 J
33.   //将套接字于端口号绑定
    $ U& @3 F  {* G; R, g
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    1 v" o" @1 K0 v  {8 S3 C
36. 
      K  {- f% }. N, B
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    2 v6 p% u6 B- ]) U# Q& b
40. 
    ) A3 x- V0 S: U8 H
41.   //默认所有fd没有被打开
    
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    % D! q% j' c6 J2 B8 o9 G
43.     is_connected[fd]=0;
    
44. 
    
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    $ p( A7 d; g$ A6 p
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    $ X) j- V  h. L
52.       if(is_connected[fd])
    - z- `9 u/ K/ i5 G" l1 k1 x! `( @
53.         FD_SET(fd,&fds);
    - @4 t1 S7 q$ M+ p- X
54. 
    & A2 a2 O" M* \8 E5 c0 e; v  k$ U
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
    ; [, }! b5 K, n+ I
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    8 Q2 l' u0 V& |3 M( x
57.       continue;
    
58. 
    % |& m" Q; \& m7 g! f6 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++){
    ' _- t/ D" p% }+ C
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
    % D! Q1 s( }/ P- C$ K" c0 b
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
    7 p4 U  C3 f1 @' A$ m, b5 L
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
    
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    0 l8 Z, l; m5 \. j7 o. G) B
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    2 w, A+ G9 p1 }0 g5 a
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    
71.           }else{
    7 c4 w9 M+ z; ]$ f' l$ k
72.              is_connected[fd]=0;
    8 h5 W& z9 x/ E% `5 X9 ^1 a
73.              close(fd);
    " C8 k9 M: p/ |
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    ; ]! I# E9 V& Y6 E' |5 B
76.         }
    2 g* f2 I  S# L- @$ i& R
77.       }
    7 w' m" s1 G3 O2 ]7 ]9 B5 ?4 b1 ?
78.     }
    # f1 l/ c" d7 \! ?
79.   }
    ' E; v$ W" t$ z6 C, u
80. }

复制代码

( `8 C$ ]; g5 |' \* K
8 x" d) Y6 [& A, K- v9 e

# Q4 u7 d8 c- k
. J8 w' m6 C' j( G8 m: p) k% ~

---

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