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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

( X* J! |  P/ d+ |; b- x) w1 G

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）
* Y- p7 H  x$ E7 y' Q0 H

; \+ g; B4 a8 l

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

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）

! J1 x% n( ?- w: `: Z

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）

8 C7 Z! p) c- J. f% E% w+ W

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>
   
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。

* P0 e5 j( E! |; d" d+ `1 e9 x    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

  R# M" L2 Z; Q2 ~5 U% b0 D7 [1 v    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)

" }4 A3 q$ x' \    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。
0 C  M/ }* S  i  T# O) E6 W- ~
6 D, K& N/ o7 G5 |1 c; n' }% S    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）
   , p6 ^+ Z1 n" U
2. 
   : z0 s2 X* ]. d/ |, ?
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. 
   ! f5 L" s& |4 I3 a; y. d
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。
. x1 W& Q, Y( m0 I! ?+ z
0 O5 ^/ K6 b! m5 t7 ^   
+ L( m& a3 g0 H' z3 E, w

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
   7 y! j2 k. f; I! c4 r+ p
2.    
   7 a# r, t4 s7 n5 L
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   5 m0 }9 s+ ?' h6 V6 P6 p2 ], ~* ^
4. 
   5 [, q( c! _: X( t2 d8 |
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   
6. 
   8 `" h( d5 Q4 g/ z8 C
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;
   & k. q) q6 f) v$ ~& e/ I
2. .....
   ; c/ T1 v1 g; d) A) i6 s
3. fd_set set;
   0 c" q& D: d$ l  ]  S
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
   3 _6 J. `& A4 |% b4 h
7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
   ' S- ~6 t, S# ]
8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
   0 e* G( f0 F. u+ V" F' W
9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
   2 F: I- m, j% X! b$ m$ X* ]
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    
12. }
    * Z; o/ e+ ?! b# k) X: L
13. //do something here
    ; ?) d2 A' A! L" r1 S7 s, |
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. 
   9 M$ E7 I& g; l9 O( J
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   * J( F. ]$ k' s; z5 Z0 v; t1 c4 z
4. 
   
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   + n) `5 t7 T, j, P- [+ x# j
6. 
   # [' {  [6 x  C1 @% q7 Y
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

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。。。

* ?1 X9 Z" Q  L

客户端：

1. #include <time.h>
   3 d& i0 ^, ^' e" x* X- |5 q9 v  ~
2. #include <stdio.h>
     L. D! s5 y- S
3. #include <stdlib.h>
   * E6 _. }& b9 ~9 [3 O2 [  K$ n! |
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   ; {: v; C$ V2 r+ ^8 N9 F) E
6. #include <arpa/inet.h>
   ( k( }$ q0 B4 Q* K, v1 \8 j8 g
7. #include <netinet/in.h>
   7 ?$ o" O  {5 f2 N5 r6 Q
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   % [0 k9 Q3 e$ s- H' {0 ]
10. #include <sys/types.h>
    / C) U4 ^" x. @8 a; A( Q# [  i
11. #include <sys/socket.h>
    0 N' m* h8 f! K  N$ i$ D
12. 
    ; u; G% z0 k. o' g. E- U
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    8 b; `8 Z' n5 Y7 t
15. 
    
16. int main(){
    
17.   int sockfd;
    , v+ V2 b' q2 q1 B- H
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    $ f7 `- t1 T) w& a
20.    
    
21.   //创建套接字
    8 {  s$ b6 Z& c8 p5 C
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    ! W" }, U$ ?5 `
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
25. 
    + |* i  ^" `5 F
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;
    ; C! m4 i5 J% ~% _7 L/ z
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    - a1 w* n: x" w7 M2 d8 z
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    & E0 U' c! N! O3 T3 t+ t
32.   //向服务器发送请求
    
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    : O, w2 T4 H/ e# n* z: m
34.     printf("connect successfully\n");
    
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）
    
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    # L- C8 w3 F. f7 {% i% \3 e" m9 B
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    8 @4 Y9 u9 J. ?) K4 F
39.   
    . X# |5 L  m& _% \2 x
40.   while(1){
    ! l4 w0 }7 T6 i* a- {
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));
    - ^+ t" H. p! {! m8 u' r7 U4 a# t  X
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    , l" q! r6 O' {& L$ b
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    + f9 i3 S* B, O# m9 O( t# ~' [: h
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    * {/ o3 U# Y% }7 W# @  X
51.     usleep(500000);
    ' Y$ j5 P) W* b6 s7 x
52.   }
    
53. }

复制代码

7 `- Y" Z' _8 K, b4 ^

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   . X; l2 N  F; a' y6 k
3. #include <stdlib.h>
   8 A. Q1 i: _/ B# o' v
4. #include <string.h>
   " z( b: g( u, Q. I1 |0 |  D: m2 _
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
     b& k6 w- j  l/ s6 n
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   9 r* c7 q) d' k6 [
10. 
    2 t, q" E1 R7 S7 q+ n3 B
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    ! ]2 R$ N6 |* K4 U8 N
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    3 c+ F, `; R. M, e7 {
13. 
    ' b2 {, \* s3 z' I6 |; v
14. int main(){
    
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    / w! M8 H! p) K6 a
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    , \1 P' b' }# R+ F$ k% Y
18.   char msgbuffer[256];
    ; C9 L. t0 [+ m/ z4 V" d4 o
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    + L, i4 Z0 k. t" p2 m% p9 D
21.    
    
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    / E( L9 G0 k$ L$ D" n+ l6 {
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    7 X6 E$ b& C' |- Y5 M
26. 
    8 v* h9 j( ~2 D" l' u
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));
    & k5 c0 e+ H1 z: M
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    5 {8 N# B* M' V6 {$ \; X
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
    8 M1 I% z* k9 \5 [3 k, o
32.    
    + Z- {! S- V7 n, V% r% g% T. s
33.   //将套接字于端口号绑定
    
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
      q* Y! [; t& E- f( k
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    ( S: o% N$ }, [, f4 X5 b1 {) y0 j) F
36. 
    * j1 m- S# H: K, w8 C- Z: {# A5 K
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    
41.   //默认所有fd没有被打开
    6 Z" L9 k( ^. x7 Z4 U7 w" l6 U- {7 H
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    
44. 
    * ^/ b. r, X. U0 b% G8 X
45.   while(1){
    # j* l) q  I  k( I
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    / J2 D4 D9 N1 t- E4 z
49.      
      v1 U4 }( h9 A
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
52.       if(is_connected[fd])
    ' _" R$ o( R) g/ L
53.         FD_SET(fd,&fds);
    
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
    : p, `, g2 {$ F
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
      g9 L; ~& i# g4 w9 d- [7 @
57.       continue;
    6 b) n% S) G" C; c5 W
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++){
    " m1 ~: j- Q* R; }, w! J2 U
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    ; A7 B- I' Q9 s; O3 D6 g
62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端，那么与客户端accept建立连接
    ( K$ `: R- w6 {# i# i. d1 O
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    ' v! [8 X2 U( C' Y/ ~- Y
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
      n: ]' a) |& H  c- T. `3 [
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
    4 w0 ^2 f5 x0 D: ?) ^% t
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    * F8 ?: k, E1 \, H
71.           }else{
    
72.              is_connected[fd]=0;
    
73.              close(fd);
    . I7 u7 a6 C; I1 z
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    
76.         }
    
77.       }
    . t8 N- r+ K$ y
78.     }
    ; ^5 S, w% e  ^5 I7 D7 ?
79.   }
    6 p9 x1 R6 g. l7 k) g
80. }

复制代码

3 o# k" t& G7 O- P# C
* R! M& G. ^; K+ W1 h
* m# @: m$ R/ W4 t& ]  x) K

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