[网络协议] 服务器和客户端的套接字通信

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[网络协议]服务器和客户端的套接字通信

服务器和客户端的套接字通信

大家好，我是小学五年级在读的蒟蒻，专注于后端，一起见证蒟蒻的成长，您的评论与赞与关注是我的最大动力，如有错误还请不吝赐教，万分感谢。一起支持原创吧！纯手打有笔误还望谅解。

TCP/IP的四层参考模型，从上到下分别是：应用层，传输层，网络层，网络接口层。
- 应用层协议：HTTP，FTP，DNS等
- 传输层协议：TCP，UDP
- 网络互连层协议：IP，ARP，RARP，ICMP
- 网络接口层协议：Ethernet，ISDN等
在TCP/IP四层参考模型中，从上往下有四种层次：应用层，传输层，网络层，网络接口层，应用层包括HTTP，FTP，DNS等协议，而传输层包括TCP，UDP两种协议，网络层则包含IP，ARP等协议，网络接口层较为底层。
传输层的作用
- 传输层的根本目的是在网络层提供的数据通信服务基础上，实现主机的进程间通信的可靠服务。
- 有以下两个要点：位于两个主机内部的两个应用进程之间提供通信服务，提供可靠的通信服务
套接字(socket)
- 是一个套用C语言写成的应用程序开发库，实现进程间通信和网络编程
- 套接字是一个抽象层，应用程序可以通过它发生和接收数据，可对其进行想对文件一样的打开，读写和关闭等操作。套接字允许应用程序与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合
端口(port)
- 在计算机中，端口大致有两种意思：一是物理意义上的端口，比如RJ45，集线器，交换机，路由器等
- 二是逻辑意义上的端口，一般指TCP/IP协议中的端口，端口号的范围从0到65535，比如浏览网页的80端口，FTP服务的21端口
- 在TCP中一般都是软件形式的端口，根据提供的服务不同，一般可分为两种
  - TCP端口
    - 特点
      - 面向连接的传输服务。打电话式，会话式通信
      - 面向字节流传输的通信(而UDP是面向报文通信)。字节管道，字节按序传输和到达
      - 全双工通信.一个应用进程可以同时接收和发送数据,捎带确认;通信双方都设置有发送和接收缓冲区,应用程序将要发送的数据字节提交给发送缓冲区,实际发送由TCP协议控制,接收方收到数据字节后将它接收放在缓冲区,等待高级应用程序读取
      - 可建立多个并发的TCP连接.如Web服务器可同时与多个用户程序建立连接会话.
      - 可靠传输服务.不丢失数据,保持数据有序,向上不重复提交数据(通过确认机制,拥塞控制等方式实现),想象一下ATM机转账应用就需要上述的可靠性
  - UCP端口
    - 特点
      - 无连接：在发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据前的时间
      - 仅最大努力交付：即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表
      - 面对报文的：UDP对于应用层传递下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的编辑。UDP对于应用程序提交的报文，添加头部后就向下提交给网络层
      - 支持多对多的交互通信
    - 适用场景
      - 适用于少量(几百个字节)的数据
      - 对性能的要求高于数据完整的要求，如播放视频，P2P，DNS等
      - 需要”简短快捷 “的数据交换简单的请求与应答报文交互，如在线游戏
      - 需要多播和广播的应用，源主机以恒定的速率发送报文，拥塞时允许丢弃部分报文，如本地广播，隧道VPN。
- 端口分类
  - 熟知端口号：给每种服务器分配的确定的全局端口号，每个用户进程都知道的相应的服务器进程的熟知端口号，范围是0-1023，它是统一分配和控制的
  - 注册端口号：在IANA注册的端口号，数值范围为1024-49151
  - 临时端口号：客户端程序使用的零时端口号，它是运行在客户端上的TCP/IP软件随机选取的，范围在49152-65535
  - 平时网络编程，服务器一般使用注册端口号，而客户端的端口号则是系统随机分配的，即临时端口号
- TCP报文图
  
  重点的标志位和意义
TCP的三次握手过程
- TCP的连接包括连接建立,报文传输,连接释放三个阶段,其中连接建立的三次握手过程较为重要.
- 建立三次握手的过程
  - 客户端准备发起一次TCP连接,首先向服务器发送第一个"SYN"报文(控制位SYN=1)
  - 服务器收到SYN报文后,如果同意建立连接,则向客户端发送第二个"SYN+ACK"报文(控制位 SYN=1,ACK=1),该报文表示对第一个SYN报文请求的确认
  - 接收到SYN+ACK报文后,客户端发送第三个ACK报文,表示对SYN+ACK报文的确认
用C++进行TCP套接字网络编程
- 网络编程中我们一般会使用C/S架构,即包含服务器端和客户端
TCP网络编程的服务器端
- 服务器端一般先用socket创建一个套接字,然后用bind给这个套接字绑定地址(IP和端口号),然后调用listen把这个套接字设置为监听状态,随后调用accept函数从已完成连接队列中取出成功建立连接的套接字,以后就在这个新的套接字上调用spend,recv来发送数据,接收数据,最后调用close来断开连接释放资源即可
  
  过程
TCP网络编程的客户端
- 与服务器不同,客户端并不需要bind绑定地址,因为端口号是系统自动分配的,而且客户端也不需要设置监听的套接字,因此也不需要listen.客户端在用socket创建套接字后直接调用connect向服务器发起连接即可,connect函数通知Linux内核完成TCP三次连接握手,最后将连接的结果作为返回值.成功建立连接后我们就可以调用send和recv来发送数据,接收数据,最后调用close来断开连接释放资源
  
  过程
完整流程

TCP网络编程的整体流程

TCP网络编程的相关数据结构

地址结构:

sockaddr

在头文件 #include<sys/socket.h> 中定义

缺陷:sa_data把目标地址和端口信息混在一起了

struct sockaddr {  
     sa_family_t sin_family;//地址族
　　  char sa_data[14]; //14字节，包含套接字中的目标地址和端口信息               
　　 };

sockaddr_in

在头文件#include<netinet/in.h>或#include<arepa/inet.h>中定义

该结构体解决了sockaddr的缺陷,将port和addr分开存储在两个变量中

struct sockaddr_in{
    short int sin_family;//地址族
    unsigned short int sin_port;//端口号
    struct in_addr sin_addr;//ip地址
    unsigned char sin_zero[8];//不使用
};

该结构体中提到的另一个结构体in_addr定义如下,用来存放32位IP地址

struct in_addr
{
    unsigned long s_addr;//32位IPv4地址
};

sin_port和sin_addr都必须是网络字节序(NBO),一般可视化的数字都是主机字节序(HBO).

TCP网络编程各函数的定义

socket():creating a socket

int socket(int domain,int type,int protocol);
return file(socket)descriptor if OK,-1 on error;
/*
功能:创建一个新的套接字,返回套接字描述
参数说明:
domain:域类型,指明使用的协议栈,如tcp使用的是PF_INET,还有AF_INET6,AFUNIX等
tyoe:指明需要服务的类型,如
SOCK_DGRAM:数据报服务,UDP协议
SOCK_STREAM:刘服务,TCP协议
protocol:一般都取0(由系统根据服务类型选择默认的协议)
*/

bind():binding a socket to an address

int bind(int sockfd,const struct sockaddr* my_addr,
socklen_t addrlen);
return 0 on success,or -1 on error
/*
功能:为套接字绑定地址
TCP/IP协议使用sockaddr_in结构,包含IP地址和端口号,服务器使用它来
指明熟知的端口号,然后等待连接
参数说明:
sockfd:套接字描述符,指明创建连接的套接字
my_addr:本地地址,IP地址和端口号
addrlen:地址长度
*/

listen():listening for incoming connections

int listen(int sockfd,int backlog);
return 0 on success,or -1 on error
/*
功能:
将一个套接字设置为监听模式,准备接收传入连接.用于服务器,指明某个套接字
连接是被动的监听状态
参数说明:
Sockfd:套接字描述符,指明创建连接的套接字
backlog:linux内核2.2之前,backlog参数=半连接队列长度+已连接队列长度;
linux内核之后,backlog参数=已连接队列(Accept队列)长度
*/

accept():accepting a connection

int accept(int sockfd,struct sockaddr *restrict_addr,
socklen_t *restrict_len);
return file(socket)descriptor if OK,-1 on error
/*
功能:从已完成连接队列中取出成功建立连接的套接字,
返回成功连接的套接字描述符.
Sockfd:套接字描述符,指明正在监听的套接字
addr:提出连接请求的主机地址
addrlen:地址长度
*/

send():TCP类型的数据发送

int send(int sockfd,const void *msg,int len,int flags);
/*
功能:在TCP连接上发送数据,返回成功传送数据的长度,出错时返回-1.
send会将数据移到发送缓冲区中.
参数说明:
sockfd:发送端套接字描述符(非监听描述符)
msg:待发送数据的缓冲区(将其内容的len长度拷贝到socket的发送缓冲区),
其类型是指针,指向发送数据的缓冲区
len:待发送数据的字节长度
flags:一般情况下置为0
*/

recv():TCP类型的数据接收

int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);
/*
功能:接收数据,返回实际接收的数据长度,出错返回-1
参数说明:
sockfd:套接字描述符
buf:指向内存块的指针
buf_len:内存块大小,以字节为单位
flags:一般情况下置为0
*/

close():撤销套接字

connect():connecting to a peer socket

close(int sockfd)
/*
功能:撤销套接字.如果只有一个进程使用,立即终止连接并撤销该套接字,
如果多个进程共享该套接字,则将引用数减一,直到引用数降到0,
则关闭连接撤销套接字.
参数说明:
sockfd:套接字描述符
*/
int connect(int sockfd,structsockaddr *server_addr,
int sockaddr_len);
/*
功能:同远程服务器建立主动连接,成功时返回0,若连接失败返回-1.
参数说明:
sockfd:套接字描述符,指明创建连接的套接字
server_addr:指明远程端点:IP地址和端口号
sockaddr_len:地址长度
*/

实战练习
- 编写两个程序:一个服务器,一个客户端,让用户能够在客户端不断输入信息并发送到服务器终端上显示.

服务器程序编程

新建serve.cpp文件,在其中写服务器的代码:

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<stdio.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/shm.h>
#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
    //定义sockfd
    int server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //定义sockaddr_in
    struct sockaddr_in server_sockaddr;
    server_sockaddr.sin_family = AF_INET;//TCP/IP协议族
    server_sockaddr.sin_port=htons(8023);//端口号
    server_sockaddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//ip地址,127.0.0.1

    //bind,成功返回0,出错返回-1
    if(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&server_sockaddr,sizeof(server_sockaddr)))
    {
        perror("bind");//输出错误原因
        exit(1);//结束程序
    }

    //listen,成功返回0,出差返回-1
    if(listen(server_sockfd,20)==-1)
    {
        perror("listen");//输出错误原因
        exit(1);//结束程序
    }

    //客户端套接字
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t length=sizeof(client_addr);

    //成功返回非负描述字,出错返回-1
    int conn=accept(server_sockfd,(struct sockaddr*)&client_addr,&length);
    if(conn<0)
    {
        perror("connect");//输出错误原因
        exit(1);//结束程序
    }

    //接收缓冲区
    char buffer[1000];

    //不断接收数据
    while(1)
    {
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));
        int len=recv(conn,buffer,sizeof(buffer),0);
        //客户端发送exit或异常结束时,退出
        if(strcmp(buffer,"exit")==0||len<=0)
            break;
        cout<<"收到客户端信息:"<<buffer<<endl;
    }
    close(conn);
    close(server_sockfd);
    return 0;
}

client.cpp

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<stdio.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/shm.h>
#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
    //定义sockfd
    int sock_cli=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    //定义sockaddr_in
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family=AF_INET;//TCP/IP协议族
    servaddr.sin_port=htons(8023);//服务器端口
    servaddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//服务器ip
    //连接服务器,成功返回0,错误返回-1
    if(connect(sock_cli,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)))
    {
        perror("connect");
        exit(1);
    }
    cout<<"连接服务器成功!"<<endl;

    char sendbuf[100];
    char recvbuf[100];
    while(1)
    {
        memset(sendbuf,0,sizeof(sendbuf));
        cin>>sendbuf;
        send(sock_cli,sendbuf,strlen(sendbuf),0);//发送
        if(strcmp(sendbuf,"exit")==0)
        {
            break;
        }
    }
    close(sock_cli);
    return 0;
}