《TCP/IP网络编程》（第四章）基于TCP的服务器端/客户端（1）

发布于：2024-05-17 ⋅ 阅读:(151) ⋅ 点赞:(0)

1.TCP/IP协议栈

在这里插入图片描述

  1. 链路层： 负责在物理网络媒介上进行数据传输。
  2. 网络层(IP层)： 网络层的核心协议是互联网协议（IP），它负责将数据包从源地址路由到目的地址。
  3. 传输层： 负责在网络层之上提供可靠的数据传输服务。传输层有两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。TCP提供可靠的、面向连接的数据传输服务，而UDP则提供不可靠的、无连接的服务。
  4. 应用层： 应用层定义了用于应用程序之间通信的协议

2.基于TCP/IP服务器端/客户端函数调用关系

之前我们已经了解了服务器端和客户端的函数调用流程，下图是交互过程图：
在这里插入图片描述
PS： 客户端服务器不需要使用bind()函数将地址信息绑定到套接字上，这一操作在调用connect()函数时完成。

  1. 服务器端创建套接字后，调用bind()把地址信息绑定到套接字上，调用listen()进入等待状态。
  2. 客户端创建套接字后，当服务器端进入等待状态后，才能调用connect()请求连接；也有可能服务器端率先调用了accept()函数，但调用后会进入阻塞状态，直到有客户端发送连接请求。
  3. 进行数据传输。
  4. 关闭套接字

3.Linux系统实现迭代回声服务器/客户端

迭代回声服务器/客户端： 服务器端接收客户端发送的数据，并将这些数据原样返回给客户端。要求如下：

  1. 服务器一次只和一个客户端相连，并提供回声服务
  2. 服务器依次向五个服务器提供服务并退出
  3. 客户端接受用户输入的字符串并发送到服务器端
  4. 服务器端将收到的字符串传会客户端
  5. 客户端输入Q断开与服务器的连接

服务器代码

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <string.h> 
#include <unistd.h> // POSIX标准定义的通用函数，如close()
#include <arpa/inet.h> // 提供inet相关的函数，如inet_addr()
#include <sys/socket.h> // 提供socket相关的函数和数据结构

#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char *message); 

int main(int argc, char *argv[]) 
{
    int serv_sock; // 服务器套接字
    int clnt_sock; // 客户端套接字
    int i,str_len;

    struct sockaddr_in serv_addr; // 服务器地址结构
    struct sockaddr_in clnt_addr; // 客户端地址结构
    socklen_t clnt_addr_size; // 客户端地址结构的大小
    
    char message[BUF_SIZE]; // 要发送给客户端的消息

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

    // 创建一个服务器套接字
    serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(serv_sock==-1) 
        error_handling("socket() error"); 

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family=AF_INET; // 地址族设置为IPv4
    serv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); // 服务器地址设置为任意
    serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[1])); // 设置监听端口为命令行参数指定的端口

    // 绑定套接字，调用bind()函数分配ip地址和端口号
    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr))==-1)
        error_handling("bind() error"); 
    
    // 监听连接，将套接字转化为可接受状态
    if(listen(serv_sock, 5)==-1)
        error_handling("listen() error"); 
    
    // 接收客户端连接
    clnt_addr_size=sizeof(clnt_addr);
    for(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);
        }

        while((str_len=read(clnt_sock, message, BUF_SIZE))!=0)
            write(clnt_sock, message, str_len);
        
        close(clnt_sock);
    }
   
    
    // 关闭客户端和服务器套接字
    close(serv_sock);
    
    return 0; 
}


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

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); 

int main(int argc, char *argv[]) 
{
    int sock; // 客户端套接字
    struct sockaddr_in serv_addr; // 服务器地址结构
    char message[BUF_SIZE]; // 用于存储从服务器接收的消息
    int str_len,i; // 读取的字节数

    
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1); 
    }

    // 创建一个客户端套接字
    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1) 
        error_handling("socket() error"); 

    // 初始化服务器地址结构
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族设置为IPv4
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); // 设置服务器IP地址
    serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); // 设置服务器端口号

    // 发送连接请求
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("connect() error"); 
        else{
            printf("Connected.....\n");
        }


    while(1){
        printf("Input message(Q to quit): ");
        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, sizeof(message) - 1);
        message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s \n", message);
    }

    // 关闭套接字
    close(sock);
    return 0; 
}


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

运行代码
在终端命令行输入Serv.out 9190开启服务器，然后在另一个终端命令行输入Cln.out 127.0.0.1 9190开启客户端，如下图则所示则连接成功
在这里插入图片描述

输入Q关闭客户端，再输入Cln.out 127.0.0.1 9190开启客户端，服务器会显示连接到第二个客户端
在这里插入图片描述
至此在Linux平台完成了一个迭代回声服务器/客户端

4.Windons系统实现迭代回声服务器/客户端

随着学习的深入，Linux平台和Windows平台的差异会愈加明显，但目前差异还不大，将Linux平台的示例转化为Windows平台示例，记住以下4点：

  1. 通过WSAStartup、WSACleanup函数初始化、清楚套接字相关库
  2. 把数据类型变换为Windows风格
  3. 数据传输中使用recv、send函数，而不是read、write函数
  4. 关闭套接字使用closesocket函数，而不是close函数

服务器代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")// 指定链接到winsock库

#define BUFF_SIZE 1024
void error_handling(char* message);

int main(int argc, const char* argv[])
{
	WSADATA wsaData;// Windows Sockets API需要的数据结构
	SOCKET hServSock, hClntSock;
	SOCKADDR_IN servAddr, clntAddr;// 用于存储服务器和客户端的地址信息
	char message[BUFF_SIZE];
	int strLen;
	int clntAdrSize;
	int i;

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

	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)// 初始化Windows Sockets服务
		error_handling("WSAStartup() error!");

	//创建套接字	
	hServSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (hServSock == INVALID_SOCKET)
		error_handling("socket() error");
		
	memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));// 清空servAddr结构，避免随机数影响
	servAddr.sin_family = AF_INET;// 设置地址族为IPv4
	servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 设置监听地址为任意（服务器的所有接口）
	servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));// 设置监听端口为命令行参数指定的端口

	// 将socket绑定到地址和端口
	if (bind(hServSock, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)
		error_handling("bind() error");

	// 开始监听连接
	if (listen(hServSock, 5) == SOCKET_ERROR)
		error_handling("listen() error");
		
	clntAdrSize = sizeof(clntAddr);// 设置客户端地址结构的大小


	for(i=0;i<5;i++){
		//接受一个客户端连接
		hClntSock = accept(hServSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &clntAdrSize);
		if (hClntSock == INVALID_SOCKET)
			error_handling("accept() error");
		else{
			printf("Connected client : %d \n", i+1);
		}

		while(1){
			// 接收客户端消息
			strLen = recv(hClntSock, message, BUFF_SIZE, 0);
			if (strLen == 0)
				break;
			// 向客户端发送消息
			send(hClntSock, message, strLen, 0);
		}

	}

	closesocket(hServSock);// 关闭服务器socket
	WSACleanup();// 清理Windows Sockets服务
	return 0;
}

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

客户端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")// 指定链接到winsock库

#define BUF_SIZE 1024
void ErrorHandling(const char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
	WSADATA wsaData;
	SOCKET hSocket;
	SOCKADDR_IN servAddr;// 用于存储服务器的地址信息
	char message[BUF_SIZE];// 用于接收从服务器发送的消息
	int strLen;// 接收的消息长度

	if (argc != 3) {
		printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}

    // 初始化Windows Sockets服务
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
		ErrorHandling("WSAStartup() error!");

    //创建套接字
    hSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (hSocket == INVALID_SOCKET)
		ErrorHandling("socket() error");
        
	  memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    servAddr.sin_family = AF_INET;// 设置地址族为IPv4
    servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);// 设置服务器的IP地址
    servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));// 设置服务器的端口号

    // 尝试连接到服务器
    if (connect(hSocket, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)
		  ErrorHandling("connect() error!");
    else{
      printf("Connected......\n");
    }
    
    while(1){
      fputs("Input message(Q to quit): ",stdout);
      fgets(message, BUF_SIZE, stdin);

      if(!strcmp(message, "Q\n") || !strcmp(message, "q\n")){
        break;
      }
      send(hSocket, message, strlen(message), 0);
      strLen= recv(hSocket, message, sizeof(message)-1, 0);
      message[strLen]= 0;
      printf("Message from server: %s \n", message);
    }
    
    closesocket(hSocket);// 关闭套接字
    WSACleanup();// 清理Windows Sockets服务
    return 0;
}

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

运行代码
在终端命令行输入Serv.exe 9190开启服务器，然后在另一个终端命令行输入Cln.exe 127.0.0.1 9190开启客户端，如下图则所示则连接成功
在这里插入图片描述
输入Q关闭客户端，再输入Cln.exe 127.0.0.1 9190开启客户端，服务器会显示连接到第二个客户端
在这里插入图片描述
至此在Windows平台完成了一个迭代回声服务器/客户端

5.回声客户端存在的问题

因为每次调用read/write和recv/send函数时，都会以字符串执行I/O操作，而且TCP传输的数据不存在边界，所以如果数据过大，有可能导致数据被分割成几个数据包传输给服务器，这样接收方可能无法正确的重构消息，无法满足回声需求。

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