TCP/IP网络编程学习笔记(三)基于TCP的服务器端/客户端

时间:2019-04-15
本文章向大家介绍TCP/IP网络编程学习笔记(三)基于TCP的服务器端/客户端,主要包括TCP/IP网络编程学习笔记(三)基于TCP的服务器端/客户端使用实例、应用技巧、基本知识点总结和需要注意事项,具有一定的参考价值,需要的朋友可以参考一下。

一、概念

  • TCP,Transmission Control Protocol,传输控制协议
  • TCP/IP协议栈:链路层->IP层->传输层->应用层
  • IP本身是面向消息的、不可靠的协议,TCP层通过确认重传机制保证数据的正确传输

二、迭代回声服务器端/客户端

实现功能:客户端接受用户输入字符串,并将字符串发送到服务器,服务器将字符串回传给客户端;服务器能为5个客户端提供连接服务,但同一时刻只为一个客户端服务(单线程)

  • 服务器端代码
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 1024

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_addr, clnt_addr;
    char message[BUF_SIZE];
    
    if (argc != 2) {
        printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);
        if (clnt_sock == -1)
            error_handling("accept() error");
        else
            printf("Connected client %d \n", i + 1);

        int str_len;
        // 收到客户端的消息后,将消息回送给客户端
        while ((str_len = read(clnt_sock, message, BUF_SIZE)) != 0)
            write(clnt_sock, message, str_len);
        
        close(clnt_sock);
    }

    close(serv_sock);
    return 0;
}
  • 客户端代码
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 1024

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    int sock;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char message[BUF_SIZE];
    
    if (argc != 3) {
        printf("Usage : %s <IP> <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("connect() error");
    else
        puts("Connected........");

    while (1) {
        fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);

        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;    
        
        write(sock,message,strlen(message));
        int str_len = read(sock, message, BUF_SIZE - 1);
        message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s\n", message);
    }

    close(sock);
    return 0;
}
  • 运行结果:可以看出服务器确实能为客户提供连接服务,并且能正确回传数据,lucky!
  • 存在问题:回声客户端代码的第48~51行存在错误假设:每次调用read、write函数都会以字符串为单位执行实际的IO操作,但TCP不存在数据边界,客户端多次调用write函数传递的字符有可能一次性传递到服务器端,进而客户端从服务器端收到多个字符串。如果字符串太长,服务器端可能分多次发送数据,在此过程中,客户端可能尚未收到全部数据包就调用read函数;

  • 改进:因为可以提前知道收发的数据长度,所以解决方法是在客户端调用write函数发送数据后,通过循环控制read函数读取的字节数等于发送的字节数
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 1024

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    int sock;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char message[BUF_SIZE];
    
    if (argc != 3) {
        printf("Usage : %s <IP> <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("connect() error");
    else
        puts("Connected........");

    while (1) {
        fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);

        if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;

        int str_len = write(sock, message, strlen(message));
        int recv_len = 0;
        while (recv_len < str_len) {
            int recv_cnt = read(sock, &message[recv_len], BUF_SIZE - 1);
            recv_len += recv_cnt;
        }
        message[recv_len] = 0;
        printf("Message from server: %s\n", message);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

运行结果:运行正常

 

三、计算器服务器/客户端实例

应用层协议:

  • 客户端连接到服务器端后以1字节整数形式传递待算数字个数 operand count
  • 客户端向服务器端传递的每个整型数据占4字节 operand
  • 客户端向服务器端传递运算符 operator(+ - *)
  • 客户端得到运算结果后终止与服务器端的连接

实现代码:

  • 服务器端
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define OPSZ 4

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int calculate(int opnum, int opnds[], char op) {
    int result = opnds[0];
    switch (op) {
    case '+':
        for (int i = 1; i < opnum; i++)result += opnds[i];
        break;
    case '-':
        for (int i = 1; i < opnum; i++)result -= opnds[i];
        break;
    case '*':
        for (int i = 1; i < opnum; i++)result *= opnds[i];
        break;
    }
    return result;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    struct sockaddr_in serv_addr, clnt_addr;
    int serv_sock, clnt_sock;
    char opinfo[BUF_SIZE];

    if (argc != 2) {
        printf("Usage: %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serv_sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("bind() error");

    if (listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);
        if (clnt_sock == -1)
            error_handling("accept() error");
        int opnd_cnt = 0;
        read(clnt_sock, &opnd_cnt, 1);
        int recv_len = 0;
        while ((opnd_cnt*OPSZ + 1) > recv_len) {
            int recv_cnt = read(clnt_sock, &opinfo[recv_len], BUF_SIZE - 1);
            recv_len += recv_cnt;
        }
        int result = calculate(opnd_cnt, (int*)opinfo, opinfo[recv_len - 1]);
        write(clnt_sock, (char*)&result, sizeof(result));
        close(clnt_sock);
    }

    close(serv_sock);
    return 0;
}
  • 客户端
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define OPSZ 4
#define RLT_SIZE 4

void error_handling(char* message) {
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    int sock;
    char opmsg[BUF_SIZE];
    struct sockaddr_in serv_addr;
    int result, opnd_cnt;
    if (argc != 3) {
        printf("Usage: %s <IP> <port>", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1)
        error_handling("socket() error");

    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("connect() error!");
    else
        puts("Connected...........");

    fputs("Operand count: ", stdout);
    scanf("%d", &opnd_cnt);
    opmsg[0] = (char)opnd_cnt;

    for (int i = 0; i < opnd_cnt; i++) {
        printf("Operand: %d:", i + 1);
        scanf("%d", (int*)&opmsg[i*OPSZ + 1]);
    }

    fgetc(stdin);
    fputs("Operator: ", stdout);
    scanf("%c", &opmsg[opnd_cnt*OPSZ + 1]);
    write(sock, opmsg, opnd_cnt*OPSZ + 2);
    read(sock, &result, RLT_SIZE);

    printf("Opreation result: %d \n", result);

    close(sock);
    return 0;
}
  • 运行结果

四、TCP原理

1.TCP套接字中的IO缓冲

  • write 函数被调用时,数据移至输出缓冲;read 函数被调用时,从输入缓冲读取数据
  • 即使关闭套接字也会继续传递输出缓冲中遗留的数据
  • 关闭套接字将丢失输入缓冲中的数据
  • 滑动窗口机制
  • 套接字是全双工方式工作

2.TCP内部工作原理1:与对方套接字的连接

  • 三次握手,Three-way handshaking
  • 主机A向主机B发起连接请求,先向B发送SYN包(SEQ:X,ACK为空),SEQ告诉B现在传递的数据包序号为X,如果接收无误,请通知我向你传递X+1号数据包
  • B如果同一连接请求,就向A发送SYN+ACK包(SEQ:Y,ACK:X+1),SEQ告诉A现在传递的数据包序号为Y,如果接收无误,请通知我向你传递X+1号数据包;ACK是告诉A刚才收到的数据包无误,请继续发送序号为X+1的数据包
  • 然后A发送ACK包(SEQ:X+1,ACK:Y+1),至此主机A和主机B确认了彼此就绪

3.TCP内部工作原理2:与对方主机的数据交换

  • 主机向对方发送数据包:(SEQ:Z,数据)
  • 对方接收到数据包后返回确认:(ACK:Z+传递的字节数+1)+1是为了告诉对方下次要传递的SEQ号
  • 如果数据包丢失得不到确认,主机内的计时器会超时重传

4.TCP内部工作原理:断开与套接字的连接

  • 四次挥手,Four-way farewell
  • 主机A要与主机B断开连接,先向主机B发送数据包(FIN,SEQ:U,ACK为空),FIN表示断开连接
  • B向A发送数据包(ack,SEQ:V,ACK:U+1),ack表示准备断开
  • 断开之前B还有数据要传给A,直到传递最后一个包(FIN,SEQ:V+1,ACK:U+1)
  • A最后确认断开(ack,SEQ:U+1,ACK:V+2)

参考书籍:《TCP/IP网络编程》尹圣雨 著,金果哲 译

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原文地址:http://www.manongjc.com/article/103555.html