网络协议

基于TCP的服务端/客户端编程_客户端

TCP服务端的默认函数调用顺序

基于TCP的服务端/客户端编程_客户端_02

更多细节见​​Windows和Linux的套接字基础​​

Windows服务端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>

void ErrorHandling(char *message);

int main(int argc,char *argv[])
{
  WSADATA wsaData;
  SOCKET hServSock,hClntSock;
  SOCKADDR_IN servAddr,clntAddr;

  int szClntAddr;
  char message[] = "hello world!";
  if(argc != 2)
  {
    printf("Usage : %s <port>\n",argv[0]);
    exit(1);
  }
  if(WAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData) != 0)
    error_handling("WAStartup() error");

  hServSock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
  if(hServSock  == INVALID_SOCKET)
    error_handling("socket() error");

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

  if(bind(hServSock,(SOCKADDR*)&servAddr,sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)
    error_handling("bind() error");
  if(listen(hServSock,5) == SOCKET_ERROR)
    error_handling("listen() error");

  szClntAddr = sizeof(clntAddr);
  hClntSock = accept(hServSock,(SOCKADDR*)&clntAddr,&szClntAddr);
  if(hClntSock == INVALID_SOCKET)
    error_handling("accept() error");

  send(hClntSock,message,sizeof(message),0);
  closesocket(hClntSock);
  closesocket(hServSock);
  WSACleanup();
  return 0;                                                                                                            
}

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

Windows客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>

void error_handling(char *message);

int main(int argc,char *argv[])
{
  WSADATA wsaData;
  SOCKET hSocket;
  SOCKADDR_IN servAddr;

  char message[30];
  int strLen;
  if(argc != 3)
  {
    printf("Usage : %s <port>\n",argv[0]);
    exit(1);
  }
  if(WAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData) != 0)
    error_handling("WAStartup() error");

  hSocket = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
  if(hServSock  == INVALID_SOCKET)
    error_handling("socket() error");

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

  if(connect(hSocket,(SOCKADDR*)&servAddr,sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)
    error_handling("connect() error");

  strLen = resv(hSocket,message,sizeof(message)-1,0);
  if(strLen == -1)
    error_handling("read() error");
  printf("Message from server:%s\n",message); 

  closesocket(hSocket);
  WSACleanup();
  return 0;                                                                                                            
}

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

基于TCP的服务端/客户端函数的调用关系

基于TCP的服务端/客户端编程_套接字_03

总体流程整理如下：服务器端创建套接字后连续调用bind 、listen函数进入等待状态，客户端通过调用connect函数发起连接请求。需要注意的是，客户端只能等到服务器端调用listen函数后才能调connect函数。同时要清楚，客户端调用connect函数前，服务器端有可能率先调用accept函数。当然，此时服务器端在调用accept函数时进入阻塞(blocking)状态，直到客户端调connect函数为止。

迭代服务器端/客户端

编写回声(echo)服务器端/客户端。顾名思义，服务器端将客户端传输的字符串数据原封不动地传回客户端，就像回声一样。

基于TCP的服务端/客户端编程_客户端_04

调用accept函数后，紧跟着调用I/O相关的read、write函数，然后调用close函数。这并非针对服务器端套接字，而是针对accept函数调用时创建的套接字。

程序的基本运行方式：


  • 服务器端在同一时刻只与一个客户端相连，并提供回声服务。
  • 服务器端依次向5个客户端提供服务并退出。
  • 客户端接收用户输入的字符串并发送到服务器端。服务器端将接收的字符串数据传回客户端，即“回声”。
  • 服务器端与客户端之间的字符串回声一直执行到客户端输入Q为止。

代码实例

Linux环境下：

echo_server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE1024

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
  int serv_sock, c1nt_sock;
  char message[BUF_SIZE];
  int str_len, i;

  struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
  socklen_t clnt_adr_sz;

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

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

  memset(&serv_adr, e,sizeof(serv_adr));
  serv_adr.sin_family=AF_INET;
  serv_adr.sin_addr.s_addr=hton1(INADDR_ANY);
  serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));

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

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

  c1nt_adr_sz=sizeof(clnt_adr);

  for(i=e; i<5; i++)
  {
    clnt_sock=accept(serv_sock,(struct sockaddr*),&c1nt_adr&c1nt_adr_sz);
    if(cint_sock==-1)
      error_handling("accept() error");
    else
      printf( "Connected client %d in"，i+1);

    while((str_len=read(cint_sock,message,BUF_SIZE))!-e)
      write(c1nt_sock,message,str_len);

    close(clnt_sock);
  }
  close(serv_sock);
  return 0;
}

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

echo_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE1024
void error_handling(char *message);

int main(int argc,char *argv[])
{
  int sock;
  char message[BUF_SIZE];
  int str_1en;
  struct sockaddr_in serv_adr;

  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_adr, e,sizeof(serv_adr));
  serv_adr.sin_family=AF_INET;
  serv__adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
  serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));

  if(connect(sock,(struct sockaddr*)&serv_adr，sizeof(serv_adr))==-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));
    str_len=read( sock, message,BUF_SIZE-1);
    message[str_len]=0;
    printf("Message from server: %s", message);
  }
  close(sock);
  return 0;
}

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

​​存在的问题：既然回声客户端会收到所有字符串数据，是否只需多等一会儿?过一段时间后再调用read函数是否可以一次性读取所有字符串数据?"​​

解决办法：接受时循环调用read函数读取传输的字节长度。

echo_client2.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE1024
void error_handling(char *message);

int main(int argc,char *argv[])
{
  int sock;
  char message[BUF_SIZE];
  int str_1en,recv_len,recv_cnt;
  struct sockaddr_in serv_adr;

  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_adr, e,sizeof(serv_adr));
  serv_adr.sin_family=AF_INET;
  serv__adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
  serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));

  if(connect(sock,(struct sockaddr*)&serv_adr，sizeof(serv_adr))==-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;

    str_len = write(sock,message,strlen(message));
    recv_len = 0;
    while(recv_len<str_len)
    {
      recv_cnt = read(sock,&message[recv_len],BUF_SIZE-1);
      if(recv_cnt == -1)
        error_handling("read() error!");
      recv_len += recv_cnt;
    }
    message[recv_len]=0;
    printf("Message from server: %s", message);
  }
  close(sock);
  return 0;
}

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

定义应用层协议

回声客户端可以提前知道接收的数据长度，但我们应该意识到，更多情况下这不太可能。

TCP原理

基于TCP的服务端/客户端编程_#include_05

实际上，write函数调用后并非立即传输数据，read函数调用后也并非马上接收数据。更准确地说，如上图所示，write函数调用瞬间，数据将移至输出缓冲；read函数调用瞬间，从输入缓冲读取数据。

调用write函数时，数据将移到输出缓冲，在适当的时候（不管是分别传送还是一次性传送）传向对方的输入缓冲。这时对方将调用read函数从输入缓冲读取数据。这些I/O缓冲特性可整理如下。


  • I/O缓冲在每个TCP套接字中单独存在。
  • I/O缓冲在创建套接字时自动生成。
  • 即使关闭套接字也会继续传递输出缓冲中遗留的数据。
  • 关闭套接字将会丢失输入缓冲中的数据。

TCP内部工作原理1：与对方套接字的连接

首先讲解与对方套接字建立连接的过程。连接过程中套接字之间的对话如下：

[Shake 1] 套接字A：“你好，套接字B。我这儿有数据要传给你，建立连接吧。”

[Shake 2]套接字B：“好的，我这边已就绪。”

[Shake 3]套接字A：“谢谢你受理我的请求。”

基于TCP的服务端/客户端编程_#include_06

SYN(Synchronization)：收发数据前传输的同步消息；

SEQ：进行传递的数据包序号；

ACK：要求得到的数据包序号。

TCP内部工作原理2：与对方主机的数据交换

基于TCP的服务端/客户端编程_#include_07

断开与套接字的连接

套接字A：“我希望断开连接。”

套接字B：“哦，是吗?请稍候。”

套接字B：“我也准备就绪，可以断开连接。”

套接字A：“好的，谢谢合作。”

基于TCP的服务端/客户端编程_#include_08

也就是说，双方各发送1次FIN消息后断开连接。此过程经历4个阶段，因此又称四次握手( Four-way handshaking )。SEQ和ACK的含义与之前讲解的内容一致，故省略。图中向主机A传递了两次ACK 5001，也许这会让各位感到困惑。其实，​​第二次FIN数据包中的ACK 5001只是因为接收ACK消息后未接收数据而重传的​​。