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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。

     "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）
4 l4 y' w/ G0 Y7 x/ h3 o

# c$ S, D" c9 T8 K* V

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
) D/ [9 ~, a' P( n2 p6 [

       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* G1 o( w6 T7 _) e2 S

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）

6 l+ B0 ^* \; G+ e5 w& s: a1 n5 R
9 y4 J: V% @4 ^9 |1 J6 e* 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）

% J$ ]6 ]6 V, F7 v+ ]  Z! x1 e

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 j' u/ U5 D) W$ i0 }  O, F
0 P) N9 S& `' X) a, u

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>
   9 {+ l- M0 ]8 J/ ^
2. 
   0 x) i$ x7 _7 D
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。

6 S$ M/ m% D. T; g    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。
# ]+ ~* ]- `0 k
3 M5 L7 k* V$ L" I. k2 y6 }    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）
   
4. 
   9 n+ Y9 {4 P  `
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。
' b5 U/ F5 @! {6 n3 V
4 p! S/ l, a: Z0 {% x' e  T. F   

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
   / G: q8 G  `! J' A) N& b
2.    
   
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   4 o% ?# U3 J6 T3 x; D+ \
4. 
   2 b# s2 X5 W9 ?; Z. x2 @& }5 }
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. .....
   . H3 i) G" l$ \7 B3 i
3. fd_set set;
   ( ]2 i6 y# ?2 A7 i, N+ n
4. while(1){
   , S. G& d2 _% h  s
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
   % D  y) d9 j7 T! o
7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
   % r+ b- J& j" w, Q- g/ @
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
   4 X+ J# c/ F, A3 j# T
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    - R: \( K5 j! M
11. recv(s,...);
    
12. }
    ! Q' l0 J3 Q6 [' K9 [* [
13. //do something here
    : e' i# j8 [% H
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. 
   2 v1 ^' F1 r/ q
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   
4. 
   1 v$ T3 C/ V3 g9 F$ Y
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   
6. 
   2 s7 u- ^' P# a& J1 ]  L+ ]
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   " O: }2 I- i$ D0 v" l, N- Y3 y
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。。。

' G$ W: F& V- O, m  j6 ~7 l

客户端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   : v1 x) j8 Q# o( `% i6 X
3. #include <stdlib.h>
   6 Z9 L* O; f' e* K4 B4 _6 r5 S
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   % V& z1 l( ?" d% e1 A, @+ {, o
7. #include <netinet/in.h>
   + b% f- N1 |# J' _+ f; S
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    4 }6 N1 E- h/ _2 i7 {$ g
12. 
    1 h) I: R8 k4 o  G0 ]" j
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    / \. @7 O: J" q" q% M
15. 
    : t1 A6 i9 p# h# e: E- v
16. int main(){
    1 J6 Y  Q" O( y4 t0 s
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
      ?+ f" ?+ n' l6 [
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
      ?, j. ^7 o& _5 ^3 G; f0 ~
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));
    ( Y. j# P0 E% W
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    ) p1 n2 x3 J6 U$ e
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    0 N9 Q0 i. J$ k) [
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    : A: M$ F) x$ b9 Y) D" X: P1 k
34.     printf("connect successfully\n");
    8 s0 q0 i1 g" ]" z( m
35.    
    0 B9 ^; z$ U5 l( E# [3 H5 ^
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）
    $ J! s% i6 z0 W5 t' _
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    
40.   while(1){
    4 S: n; y7 i+ B# y( f- d2 u
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));
    * i2 Z) M" S/ L9 K$ m, Q
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    & a% F7 U7 @* i3 k4 G  v
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    ; @0 R2 e* @2 B6 v5 ~. w
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    ( v$ ^- T, {/ G* \
51.     usleep(500000);
    
52.   }
    & C7 U! C' r) t/ T
53. }

复制代码

/ U6 A3 E/ g: B" e9 x' a( }

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   4 X+ S6 W& P$ t9 O. P1 t! I) s  d
4. #include <string.h>
   $ y) K7 Y9 L* ]8 s
5. #include <unistd.h>
   : Z: Z% |5 W+ f% h4 ?: Y) n
6. #include <arpa/inet.h>
   + P) ]1 P( V% U! c& h: X
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   $ o: d2 m7 T; q- t. Z
9. #include <sys/socket.h>
   * K3 R% C% e1 }. l& m
10. 
    & |8 Q9 [) U3 j$ l' H! }+ I% t
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    0 {& M5 d8 M! h3 f7 z: I$ H
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    & R0 E2 W9 F5 C/ ^! A( b  ?
13. 
    
14. int main(){
      O/ }6 f) N0 w! U  @& ^
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    ; T! o& g6 |& ^+ |  s
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    ' }* B, h4 Y6 t" Z* I. b* o: f2 `
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    ) Y. s  F+ ]5 g( u. }  U' @! Q3 D
20.   fd_set fds;
    7 B, I+ O7 \: w+ }5 }" e2 O' h
21.    
    
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    5 x/ ?, b( t1 W# j- T$ k% w$ Z
24.   if(sockfd>=0)
    
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    ) Q' m, |; t7 [# U
26. 
    
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));
      P$ y9 t" s) u0 ^' B
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
    
32.    
    ( U6 o  m% _$ n! Q1 U* s! x  Q
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);
    # a+ \: K6 Y2 G, X' ?' O7 |
36. 
    
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    ) ~% B0 L; t- g1 C/ \$ z2 j
40. 
    0 _, {( i9 n$ M: y, v, d# ^9 r
41.   //默认所有fd没有被打开
    % Q* d& e$ _( Y1 Y; F3 v, P# q
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    
44. 
    5 S5 \  ^# j) q: A
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    : O7 K- S+ V% e! a7 U, p/ _
47.     FD_ZERO(&fds);
    0 y; ^) L+ m% ^2 P
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    3 S( D, i5 q* w' m5 t
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    5 ]6 D: [* n: L3 W. U
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
52.       if(is_connected[fd])
    ; _5 P+ y: _/ n
53.         FD_SET(fd,&fds);
    
54. 
    + g& O- e$ x  O
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
    ; }$ f9 t/ U3 n: d; H0 L
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    . Z/ F9 W% D# l) h8 E+ w( ~
57.       continue;
    
58. 
    ( ~  u! p% D( r" R) {$ d1 G- U
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++){
    ! \) d* M% [" @: Q$ P- h# `7 j) u
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    % c" C' z0 d2 @1 D0 a
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);
    : H: @7 b% g- s6 j: B4 J" p+ I! Y+ h
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    # R% H- p& \+ P4 y9 n! ^$ |9 S3 |
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
    $ c# O$ i8 @0 v6 }) i6 i
66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    3 X* v2 D5 [" g# 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
    5 l9 [) Q- I. J* K
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    . ~% H: w. G4 [6 K- m. L3 a
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    
71.           }else{
    7 L5 x6 E- a9 R6 J! \; Y) V
72.              is_connected[fd]=0;
    $ A5 @! e+ b3 F7 b
73.              close(fd);
    
74.              printf("close connected\n");
    + I* ?, Q+ Z6 M/ \: h
75.           }
    
76.         }
    
77.       }
    " `$ v" k; R2 y( C
78.     }
    
79.   }
    
80. }

复制代码

0 \; D2 \: ~: L' m& d- d# q
% h8 P1 I0 y% g" T

5 d/ h( ~9 m, p7 k3 d! \

! |0 V  b" C6 ~9 G/ E1 M. y+ P

---

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