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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

8 |1 t- E& D8 Q( a: P' l

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。
% ~! O0 K% W7 i! m  G1 r: Z2 K; R

     "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 w8 Y4 Q" ~# ~8 C! H+ c& m

; W* I  @& U; |$ T! g

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 k' O: s" ]: `3 B# I: c! y: o

       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

1 u* S' {$ p2 ]9 M

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）

/ h' w8 i! j# m6 Q3 Q

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）

* U9 z: K9 H, ]. u) V$ K, C

- @. F0 T3 n- b- Q2 u2 C

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>
   # n+ ]% A  _6 m; Y2 f
2. 
   3 q. ~  B) `+ ?
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。

! V7 ]4 Z8 j5 |. X# }0 _" v* K    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

' a* l' n' _$ V7 c0 j    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)

+ T- R7 ~5 }" G' q0 V% [    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。

    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. 
   6 w5 }  g6 `9 v, K, \4 _
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）
   + _+ c% |+ H7 S% h
4. 
   * w+ x  @8 q- U& m1 \
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。

   
& D; @. i3 S# `$ F8 q5 S; V

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.    
   
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   
4. 
   0 s1 y& ?3 i! k3 `9 u
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   
6. 
   5 |# A' u' D8 X8 b! N
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. .....
   ' B! m  B. A5 F& V- \# x! v' N
3. fd_set set;
   3 G; ]( o% ]/ \( |
4. while(1){
   4 h( F- N3 S/ m
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
   , U* x% z0 L0 n7 v# K, }
7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
   1 K( J+ i: Q* v% |& m' F* Y
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
   0 ?* ~1 o6 g; g' F
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    $ A$ ?) q' Z6 {" [+ l% A. T% d
12. }
      b! m% m* {  @! W* i) }
13. //do something here
    - m0 c9 V$ ~, Z5 x# k& `8 ^6 d
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。
   4 m: Z7 Q2 p( z- _8 L% A& m
2. 
     n. f2 B( G9 G8 U8 V! b
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   # k+ S; z9 v$ X* d0 R
4. 
   2 }+ \0 M2 B; u6 X# R
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   ( E! z% m) E6 I$ y/ t  ~
6. 
   
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   " x; L$ y/ F8 `$ j: L
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

6 ^: U- B% L; y3 D9 K

使用select函数的过程一般是：

! x9 ]- b  \! l    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。。。
6 ?/ |: s6 x! s. t3 o1 T1 U* ]

( @/ _# X: n, _9 b1 Q) t/ u) j

客户端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   5 E/ q' k* J% n( B( }; \
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   + ]0 m$ |: K0 {+ _
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   , j0 ?3 c8 X4 s9 B/ z+ G
9. #include <sys/stat.h>
   # L5 f0 a/ }9 h& B3 U9 X1 x& E
10. #include <sys/types.h>
    7 R2 ~# |( [( p# l. x* J' M
11. #include <sys/socket.h>
    
12. 
    : j: `- V& C2 [2 L  i# v
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    % m/ i$ ]6 J  i7 \
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    
15. 
    
16. int main(){
    7 z1 o0 M" C4 t0 W& H% v! P
17.   int sockfd;
    / X5 X9 ]+ t( L4 d$ T
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    " X  T' @  [& Q4 M' h: z" S0 U  b
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
23.   if(sockfd>=0)
    / Y$ P% d) w( u6 G8 L( |+ F
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    2 H7 Y. K; t) w& l# [
25. 
    1 `; o' J# a1 W7 R
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    # ~0 g) ?+ U- X/ q- t2 \  s
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    9 ]8 y  d$ W7 C9 k: w" s
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    ) c+ ~" e3 P$ S6 a& f
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    9 h5 l; |4 G  n8 Q! T$ h# A
31.   
    ) ~, p/ S0 X" ]- P
32.   //向服务器发送请求
    ; G. ~* U% R& n: f1 ~4 m
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    ) U/ E4 w) X/ j  o0 a
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）
    4 ^+ ]7 K( e6 S' D4 M0 j. {
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    ; J. N" d9 F$ s1 Z0 b, V
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    . f1 S) P3 [  q; G0 K5 _
40.   while(1){
    8 p6 a0 D7 q- ^0 X+ n5 |: C
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));
    1 ]; p) y7 j) z2 |
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    1 Q. x, P4 }( u. t2 b
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    5 A- c9 t: R: h$ s9 J& [. L$ t
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    * [5 N) u$ K, B6 n
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    # N( d; J, y4 ?( x0 \
50.    
    ( _% r9 x. K: x9 x
51.     usleep(500000);
    0 F5 \7 z+ `8 t- L# d
52.   }
    4 t* ~5 r) i0 y
53. }

复制代码

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
     R' G$ q* w" r
3. #include <stdlib.h>
   " x: F2 z. T% e
4. #include <string.h>
   ; c" b1 |1 V% p& m
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   9 ^) {. j4 G( z( E' p
9. #include <sys/socket.h>
   : U: |" y( ]. u
10. 
    * q9 A* h  w' |. k: ?& `
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    0 {4 v3 N: ?  `; ^2 U2 J- z/ J5 O- F
13. 
    ( V4 ?# E+ T* L
14. int main(){
    
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    2 j0 u, Z. G, i2 R% }1 O
18.   char msgbuffer[256];
    
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    
21.    
    
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    1 z( ?  L. |* s: F% S1 M5 }
24.   if(sockfd>=0)
    + ?) g8 u6 ]% T
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
26. 
    % S* B% s6 O8 o3 ^! Z8 w8 d
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    $ D- ~& g( W, U
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    7 l, `1 E* |8 M, R
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
    & ~3 W% Y6 \9 B, Q: b) Y; ]
32.    
    
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);
    
36. 
    / x- d, U# ^% }
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    % G  @. ]5 |& G! [' O
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    
41.   //默认所有fd没有被打开
    . l0 Q# ^1 a( G, C; X- z! G
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    ; T, @2 L" w; V: `8 u& n3 ^0 m. |
43.     is_connected[fd]=0;
    5 V3 a+ b7 e3 t& A4 H4 Q- p' b
44. 
    
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    6 e9 {  a5 W9 @5 |3 e% W
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    4 P8 l! v. N! h9 F2 S6 K  E; r
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])
    0 C# n* p/ S$ I  ?
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
    7 b2 o4 V1 z  {0 f- f0 ^# S) d
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    ( J  t& m& M% u& }/ c) ]
57.       continue;
    . W4 I4 U: T9 q6 E, F( [5 P
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
    . z2 T2 V! d. b* n1 ~* e7 l
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    * V9 {; r0 w6 f. r+ M# J9 j0 W
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
    
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    - g+ H. N! X- K7 K' G  B* z
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    2 C" \# ^6 l/ \& u) b& m! M
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));
    ! M# b  K# ^0 d
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){
    6 F# T  j2 z! k/ A; t7 B' T. m
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    ! k/ h0 z& B( M' Z
71.           }else{
    : w& o3 Z  B+ U) G6 a! @' g
72.              is_connected[fd]=0;
    6 Q& n) G& K2 G/ _  h
73.              close(fd);
    9 k) d4 x. T( B1 L  B2 Y* p) }1 e
74.              printf("close connected\n");
    * p3 [+ D! R8 I; A4 r) ^  i9 g
75.           }
    2 T3 C; ~* p5 ]/ Y1 ]
76.         }
    
77.       }
    3 N1 i8 L: R3 c- R
78.     }
    7 s8 D& V7 k) y8 p; M+ v/ y# ?# z
79.   }
    
80. }

复制代码

: |2 B/ c; W' D% o9 P

$ ^) q+ d, v. Y% P, i
" [9 X8 J; }9 {8 a+ [7 c" `. r

& T0 R4 G* _& c0 X

---

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