基于TCP的服务器端客户端(1)

xiaoxiao2021-02-28  26

理解TCP和UDP

TCP套接字面向连接的,因此又成为流的套接字。

TCP是传输控制协议的简写。

 

TCP/IP协议栈

                                                                                                

 

TCP/IP协议栈共分4层,可以理解为数据收发分成了4个层次化过程。

 

TCP:

                                                 

                                                

UDP:

                                                  

 

 

逐层了解TCP/IP协议栈:

1.链路层

链路层是物理链接领域标准化的结果,也是最基本的领域,专门定义包括LAN,WAN,MAN等网络标准。

                                        

  

2.IP层

为了在复杂的网络中传输数据,首先考虑路径的选择。向目标传输数据需要经过哪条路径?解决此问题就是IP层,该层使用的协议就是IP。IP本身是面向消息的,不可靠的协议。IP协议无法应对数据错误。

 

IP层只关注一个数据包(数据传输的基本单位)的传输过程。因此,即使传输多个数据包,每个数据包也是由IP层实际传输的,也就是说传输顺序及传输本身是不可靠的。若只利用IP层传输数据,则有可能导致后传输的数据包B比先传输的数据包A提早到达。

并且有些数据包可能已损毁。

3.TCP/UDP层

TCP和UDP层以IP层提供的路径信息为基础完成实际的数据传输,故该层成为传输层

TCP协议按照如下对话方式进行数据交换:

这就是TCP的作用。

TCP的功能:                                    

 

TCP和UDP存在于IP层之上,决定主机之间的数据传输方式。

 

4.应用层

选择数据传输路径,数据确认过程都被隐藏到套接字内部。

套接字就是提供的工具,只需利用套接字编写程序即可。

编写软件的过程中,需要根据程序特点决定服务器端和客户端之间的数据传输规则。这便是应用层协议。

 

实现基于TCP的服务器端/客户端

TCP服务器端的默认函数调用顺序

                                                                

 

调用socket函数创建套接字,声明并初始化地址信息结构体变量,调用bind函数向套接字分配地址。

 

进入等待连接请求状态 

通过调用listen函数进入等待连接请求的状态。只有调用了listen函数,客户端才能进入可发出连接请求的状态。这时客户端才能调用connect函数。

 

 

服务端处于等待连接请求状态是指,客户端请求连接时,受理连接前一直使请求处于等待状态。

                                   

 (服务器套接字就相当于是门卫。接受请求)

第一个参数传递文件描述符套接字。

第二个参数决定了连接请求等待队列的大小。 

 

 

受理客户端连接请求 

  

这个函数自动创建套接字,并连接到发起请求的客户端。

 accept的调用过程:                           

 

TCP客户端的默认函数调用顺序

                                                        

 

 

服务器端通过调用listen函数创建连接请求等待队列,客户端通过connect()函数请求连接 

 

 

 客户端调用connect函数后,发生以下情况之一才会返回(完成函数调用):

---服务器端接受连接请求。

---发生断网等异常情况而中断连接请求。

 

 接受连接并不意味着服务器端调用accept函数,其实是服务器端把连接请求信息记录到等待队列。

 

 基于TCP的服务器端/客户端函数调用关系

                                                  

                                     

 

 客户端只能等到服务器端调用listen函数后才能调用connect函数。

同时,客户端调用connect函数前,服务器端有可能率先调用accept函数。

此时,服务器端在调用accept函数时进入阻塞状态,直到客户端调用connect函数为止。

 

 

实现迭代服务器端/客户端

编写回声(echo)服务器端/客户端。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。

实现迭代服务器端

设置好等待队列的大小后,应向所有客户端提供服务。插入循环语句反复调用accept函数来继续受理后续的客户端连接请求。

                                                        

迭代回声服务器端/客户端

程序的基本运行方式:

迭代回声服务器端:

/* 回声服务器端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_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; 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> \n",argv[0]); exit(1); } serv_sock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0); if (serv_sock == -1) error_handling("socket() error!"); memset(&serv_adr,0,sizeof(serv_adr)); serv_adr.sin_family = AF_INET; serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(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!"); clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr); for (i = 0; i < 5; i++) //迭代5次 { clnt_sock = accept(serv_sock,(struct sockaddr*)&clnt_adr,&clnt_adr_sz); 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); } close(serv_sock); return 0; }

回声客户端:

/* 回声客户端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_SIZE 1024 void error_handling(char *message) { fputs(message,stderr); fputc('\n',stderr); exit(1); } int main(int argc,char *argv[]) { int sock; char message[BUF_SIZE]; int str_len; 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,0,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")) // 输入q/Q退出 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; }

运行结果:

服务器端:

客户端:

第一次连接:

第二次连接:

连接满5次后自动退出。

回声客户端存在的问题:

下面是echo_client.c的第51-54行代码:

write(sock,message,strlen(message)); str_len = read(sock,message,BUF_SIZE-1); message[str_len] = 0; printf("Message from server: %s",message);

以上代码有个错误假设:每次调用read,write函数都会以字符串为单位执行实际的I/O操作

客户端是基于TCP的,而TCP不存在数据边界,因此多次调用write函数传递的字符串有可能一次性传递到服务器端。此时客户端有可能从服务器端收到多个字符串,这不是我们希望看到的结果。

服务器端希望通过调用一次write函数传输数据,但如果数据太大,操作系统就有可能把数据分成多个数据包发送到客户端。在此过程中,客户端有可能尚未受到全部数据包时就调用read函数。

所有这些问题都源自TCP的数据传输特性。之后介绍解决方案。



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