【C/C++套接字编程】TCP通信实验

一、实验目的：

通过本实验使学员了解和掌握编写基于TCP协议的网络应用程序。任务是开发一个基于TCP Socket API的网络聊天程序。

二、实验内容简要描述

用所学的TCP Socket API知识来开发基于TCP协议的网络。通过编程实现服务端和客户端的信息通信。TCP协议建立交互的流程如下图所示。通过编写C/C++程序，调用windows提供的Socket API，模拟下述流程，建立客户端与服务端的远程TCP通信。使得彼此双方能够接收彼此信息、发送信息。

三、实验步骤与结果分析

基于TCP协议的面向客户/服务器的工作流程是：

• 服务器端：

Ⅰ 服务器首先启动，调用 socket( )创建套接字；

Ⅱ 然后调用bind( )指定服务器socket地址（IP地址+端口号）；

Ⅲ 再调用listen( )让服务器做好侦听准备，并规定好请求队列的长度，然后服务器进入阻塞状态，等待客户的连接请求；

Ⅳ 最后通过accept( )来接收连接请求，并获得客户的socket地址。

•  客户端

Ⅰ 客户在创建套接字并指定客户 socket地址

Ⅱ 然后就调用connect( )和服务器建立连接。

Ⅲ 一旦连接建立成功，客户和服务器之间就可以通过调用read( )和write( )来接收和发送数据

Ⅳ 一旦数据传输结束，服务器和客户通过调用close( )来关 闭套接字。

服务端：

1. 启动，调用socket()创建套接字

1. 在创建套接字之后，套接字作为网络端口的抽象，需要与具体的IP/端口进行绑定，之后我们才可以通过套接字这一层抽象简便地实现通信。我们先设置好地址，然后调用bind()函数将套接字与地址绑定。

这里与本地地20000端口进行绑定。在实际的两台主机之间通信时，将回环地址修改为自己的IPv4地址即可（如果套接字参数选择IPv6，则相应的使用IPv6地址）；端口号的选择只需要确保和已有的端口不冲突即可。

1. TCP协议是面向连接的通信协议，因此首先要确保服务端与用户端的联系紧密，尔后再进行稳定可靠的通信。建立联系的过程，需要服务端进行监听，等待用户端的连接、通信请求。这个监听的过程，通过listen()、阻塞来实现。

1. 当服务端在监听时收到了来自客户端的通信请求（连接），就通过accept()获取客户端的Socket地址，进而建立TCP联系。然后就可以通过套接字与客户端进行交互。

1. 交互过程分为接收和发送两个阶段，由于程序的单线程下，接收和发送均存在阻塞状态，因此只能实现接受和发送的交替轮流通信。对于交互过程，我将它封装在interactive()函数中，通过传入客户端的套接字信息，实现本机（服务端）与客户端的信息交流。实际上，对于交互过程的封装，是为了之后进一步的“多线程”互联所作的准备；多线程实现通信将放在本节内容最后进行阐述。

可以注意到其中有一些函数如print_time()等，是为了控制界面的打印。由于这些细节与TCP协议实现并无太大关联，故具体这些控制函数将放在后面进行“结论”的收获部分进行汇报。

1. 最后，当通信完毕，就通过close来关闭套接字、断开连接。

        客户端：

1. TCP协议不同于UDP协议，是更为可靠的，因此客户端和服务端一样，都需要建立套接字对本机端口进行抽象。客户端也通过socket()函数。

1. 然后，根据服务端的地址和端口数据，通过connect()主动连接服务端程序。

1. 连接建立成功之后，便可以和服务端进行通信交互，方式和服务端相同，只不过约定首先发送信息。

1. 同样的，在通信完毕之后，断开连接，与服务端方式相同，这里就不赘述。

基于以上连接策略实现的简易TCP通信结果如下：

可见，达成了TCP简易通信的基本目标。

        基于多线程的TCP通信服务

   由于TCP自身的特性以及收发信息的阻塞状态，单个线程无法实现多主机互联。因此这里尝试采用服务端多线程的方式，实现多台客户端与服务端交互而客户端之间互相屏蔽的TCP交互功能。

        相对于上述服务端代码，主要的区别在于，主线程循环接收连接，子线程进行服务端与客户端的交互。

        最终实现效果如下：

四、结论

此次实验，让我更加了解了TCP协议的过程，同时也初步掌握了C++ Socket编程的基础技能，更让我在实际的应用中，尝试使用多线程、利用控制字符美化交互环境等等，受益匪浅。

此次实验完成了基本的TCP通信交互任务，还扩展了多台客户端与服务端交互的实现。接下来我将尝试加入可视化界面，同时更加优化字符打印的交互界面。

对于控制打印的函数，自己通过摸索，也有了很大的收获：

打印时间

         通过套接字获取地址

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