[系统运维]网络编程——回声客户端的完美实现和定义应用层协议

参考

1. 《TCP/IP网络编程》 尹圣雨

回声客户端的完美实现和定义应用层协议

回声客户端的问题

回声客户端的核心代码段为：

while (1)
{
    fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);
    fgets(message, BUF_SIZE, stdin);
    ...
    write(sock, message, strlen(message));
    str_len = read(sock, message, BUF_SIZE - 1);
    message[str_len] = 0;
    printf("Message from server: %s", message);
}

回声客户端传输的是字符串，而且是通过调用write函数一次性发送的。之后还调用了一次read函数，期待接收自己传输的字符串。但并不能保证read函数可以一次性读取所有字符串数据

回声客户端问题解决方法

可以提取确定接收数据的大小。若之前传输了20字节长的字符串，则在接收时循环调用read函数读取20个字节即可

#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;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len, 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, 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("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);
    fputs('\n', stderr);
    exit(1);
}

定义应用层协议

应用层协议就是为特定程序的实现而制定的规则

回声客户端可以提前知道接收的数据长度。若无法预知接收数据长度时，需要定义应用层协议。之前回声服务器端/客户端定义了如下协议：收到Q就立即终止连接

收发数据过程中也需要定好规则（协议）以表示数据的边界，或提取告知收发数据的大小。服务器端/客户端实现过程中逐步定义的这些规则集合就是应用层协议

计算器服务器端/客户端示例

编写程序前先设计应用层协议，只要设计好协议，实现就不会成为大问题

1. 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

2. 客户端向服务器端传递的每个整数型数据占用4字节

3. 传递整数型数据后接着传递运算符。运算符信息占用1字节

4. 选择字符+、-、*之一传递

5. 服务器端以4字节整数型向客户端传回运算结果

6. 客户端得到运算结果后终止与服务器端的连接

但这只是实现程序而设计的最低协议，实际的应用程序实现中需要的协议更详细、准确

客户端实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
#define RLT_SIZE 4                                                           // 待计算数字的字节数
#define OPSZ 4                                                               // 运算结果的字节数
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int sock;
    char opmsg[BUF_SIZE];                                                    // 为收发数据准备的内存空间，需要数据积累到一定程度后再收发，因此通过数组创建
    int result, opnd_cnt, i;
    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.......");
    }

    fputs("Operand count: ", stdout);
    scanf("%d", &opnd_cnt);
    opmsg[0] = (char)opnd_cnt;                                                // 从用户输入中得到待算数个数后，保存至数组opmsg

    for (i = 0; i < opnd_cnt; i++)
    {
        printf("Operand %d: ", i + 1);
        scanf("%d", (int*)&opmsg[i * OPSZ + 1]);                              // 待算数是4个字节，需要转化为int指针类型
    }
    fgetc(stdin);                                                             // 删掉缓冲中的字符\n
    fputs("Operator: ", stdout);
    scanf("%c", &opmsg[opnd_cnt * OPSZ + 1]);                                 // 输入运算符信息，保存到opmsg数组
    write(sock, opmsg, opnd_cnt * OPSZ + 2);                                  // 一次性传输opmsg数组中的相关信息
    read(sock, &result, RLT_SIZE);                                            // 保存服务器端的运算结果。待接收的数据长度为4字节，调用一次read函数即可

    printf("Operation result: %d \n", result);
    close(sock);
    return 0;
}

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

服务器端实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
#define OPSZ 4                                                               // 运算结果的字节数
void error_handling(char* message);
int calculate(int opnum, int opnds[], char operator);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    char opinfo[BUF_SIZE];
    int result, opnd_cnt, i;
    int recv_cnt, recv_len;
    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("soket() 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++)
    {
        opnd_cnt = 0;
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        read(clnt_sock, &opnd_cnt, 1);                                             // 接收待算数个数

        recv_len = 0;
        while ((opnd_cnt * OPSZ + 1) > recv_len)                                   // 根据待算数个数接收待算数
        {
            recv_cnt = read(clnt_sock, &opinfo[recv_len], BUF_SIZE - 1);
            recv_len += recv_cnt;
        }
        result = calculate(opnd_cnt, (int*)opinfo, opinfo([recv_len - 1]));
        write(clnt_sock, (char*)&result, sizeof(result));                          // 向客户端传输运算结果
        close(clnt_sock);
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

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

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