《TCP IP网络编程》第七章

第七章：优雅的断开套接字的连接

        TCP 的断开连接过程比建立连接更重要，因为连接过程中一般不会出现大问题，但是断开过程可能发生预想不到的情况。因此应该准确掌控。所以要掌握半关闭（Half-close），才能明确断开过程。

单方面断开连接带来的问题：

        Linux 和 Windows 的 closesocket 函数意味着完全断开连接。完全断开不仅指无法传输数据，而且也不能接收数据。因此在某些情况下，通信一方单方面的断开套接字连接，显得不太优雅。如图所示：

        图中描述的是 2 台主机正在进行双向通信，主机 A 发送完最后的数据后，调用 close 函数断开了最后的连接，之后主机 A 无法再接受主机 B 传输的数据。实际上，是完全无法调用与接受数据相关的函数。最终，由主机 B 传输的、主机 A 必须要接受的数据也销毁了。 

        为了解决这类问题，「只关闭一部分数据交换中使用的流」的方法应运而生。断开一部分连接是指，可以传输数据但是无法接收，或可以接受数据但无法传输。顾名思义就是只关闭流的一半。

套接字和流（Stream）：

        两台主机通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，又称「流形成的状态」。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看作一种流。

        此处的流可以比作水流。水朝着一个方向流动，同样，在套接字的流中，数据也止呕能向一个方向流动。因此，为了进行双向通信，需要如图所示的两个流：

        一旦两台主机之间建立了套接字连接，每个主机就会拥有单独的输入流和输出流。当然，其中一个主机的输入流与另一个主机的输出流相连，而输出流则与另一个主机的输入流相连。另外，本章讨论的「优雅的断开连接方式」只断开其中 1 个流，而非同时断开两个流。Linux 和 Windows 的 closesocket 函数将同时断开这两个流，因此与「优雅」二字还有一段距离。

针对优雅断开的 shutdown 函数 ：

#include 
int shutdown(int sock, int howto);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
sock: 需要断开套接字文件描述符
howto: 传递断开方式信息
*/

调用上述函数时，第二个参数决定断开连接的方式，其值如下所示：

• SHUT_RD : 断开输入流
• SHUT_WR : 断开输出流
• SHUT_RDWR : 同时断开 I/O 流

        若向 shutdown 的第二个参数传递SHUT_RD，则断开输入流，套接字无法接收数据。即使输入缓冲收到数据也会抹去，而且无法调用相关函数。如果向 shutdown 的第二个参数传递SHUT_WR，则中断输出流，也就无法传输数据。若如果输出缓冲中还有未传输的数据，则将传递给目标主机。最后，若传递关键字SHUT_RDWR，则同时中断 I/O 流。这相当于分 2 次调用 shutdown ，其中一次以SHUT_RD为参数，另一次以SHUT_WR为参数。

基于半关闭的文件传输程序：

服务器端：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sd, clnt_sd;// 服务器套接字描述符、客户端套接字描述符
    FILE *fp;// 文件指针
    char buf[BUF_SIZE];// 缓冲区
    int read_cnt;// 读取的字节数

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;// 服务器地址、客户端地址结构体
    socklen_t clnt_adr_sz;// 客户端地址结构体大小
    // 检查命令行参数
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s \n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    // 以二进制只读方式打开文件
    fp = fopen("file_server.c", "rb");
    // 创建套接字
    serv_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 设置服务器地址结构体
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);// 任意可用的IP地址
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));// 从命令行参数获取端口号
    // 绑定套接字和地址
    bind(serv_sd, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    // 监听连接请求
    listen(serv_sd, 5);
    // 接受客户端连接
    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    clnt_sd = accept(serv_sd, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
    // 读取文件内容，并发送给客户端
    while (1)
    {
        //从文件流中读取数据，buffer为接收数据的地址，size为一个单元的大小，count为单元个数，stream为文件流
        //返回实际读取的单元个数
        read_cnt = fread((void *)buf, 1, BUF_SIZE, fp);
        if (read_cnt < BUF_SIZE)
        {
            write(clnt_sd, buf, read_cnt);
            break;
        }
        write(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);// 将缓冲区中的数据发送给客户端
    }
    // 关闭写端，等待客户端读取完数据
    shutdown(clnt_sd, SHUT_WR);
    // 读取来自客户端的消息并打印
    read(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
    printf("Message from client: %s \n", buf);

    fclose(fp);
    close(clnt_sd);
    close(serv_sd);
    return 0;
}

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

客户端：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sd;// 套接字描述符
    FILE *fp;// 文件指针

    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;
    struct sockaddr_in serv_adr;// 服务器地址结构体

    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s  \n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    // 以二进制写方式打开文件
    fp = fopen("receive.cpp", "wb");
    // 创建套接字
    sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 设置服务器地址结构体
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);// 从命令行参数获取服务器IP地址
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));// 从命令行参数获取服务器端口号
    // 连接服务器
    connect(sd, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    // 从套接字读取数据，并写入文件
    while ((read_cnt = read(sd, buf, BUF_SIZE)) != 0)
        fwrite((void *)buf, 1, read_cnt, fp);

    puts("Received file data");
    write(sd, "Thank you", 10);
    fclose(fp);
    close(sd);
    return 0;
}

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

        客户端接受完成后，服务器会接收到来自客户端的感谢信息：

 

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习题：

1、解释 TCP 中「流」的概念。UDP 中能否形成流？请说明原因。

        两台主机中通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，又称「流形成的状态」。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看做一种流。UDP 没有建立连接的过程，所以不能形成流。

2、Linux 中的 close 函数或 Windows 中的 closesocket 函数属于单方面断开连接的方法，有可能带来一些问题。什么是单方面断开连接？什么情形下会出现问题？

        单方面断开连接就是两台主机正在通信，其中一台主机关闭了所有连接，那么一台主机向另一台主机传输的数据可能会没有接收到而损毁。

        传输文件的服务器只需连续传输文件数据即可，而客户端不知道需要接收数据到何时。客户端也没有办法无休止的调用输入函数。现在需要一个 EOF 代表数据已经传输完毕，那么这时就需要半关闭，服务端把自己的输出流关了，这时客户端就知数据已经传输完毕，因为服务端的输入流还没关，客户端可以给服务器汇报，接收完毕。

3、什么是半关闭？针对输出流执行半关闭的主机处于何种状态？半关闭会导致对方主机接收什么消息？

        半关闭就是把输入流或者输出流关了。针对输出流执行半关闭的主机处于可以接收数据而不能发送数据。半关闭会导致对方主机接收一个 EOF 文件结束符。对方就知道你的数据已经传输完毕。