Linux_socket(TCP篇)网络编程
一、TCP客户端实现
tcp 协议是⾯向连接的协议，在实现 tcp 客户端时，则需要先连接服务器，后⾯才能进⾏通讯。
在整个数据传输流程中，主要涉及以下几个接口：
- socket( ) : 创建套接字, 使⽤的套接字类型为流式套接字
- connect( ) : 连接服务器
- send( ) : 数据发送
- recv( ) : 数据接收
1.socket( )
函数头⽂件：
#include 2.connect( )
函数头⽂件：
#include 示例： 编码实现客户端主程序，并连接服务器。
#include .\n" , argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//1.创建套接字
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sfd == -1){
perror("[ERROR] Fail to socket.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//2.填写协议与服务器网络信息
struct sockaddr_in svr_addr;
bzero(&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
svr_addr.sin_family = AF_INET;
svr_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
svr_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
//3.连接服务器
int ret = connect(sfd, (const struct sockaddr *)&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Fail to connect.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
close(sfd);
return 0;
}
3.send( )
基于 socket 发送数据需要调⽤ send 函数, 下⾯是 send 函数的具体信息。
函数头⽂件：
#include 示例：客户端发送数据给服务器
#include .\n" , argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//1.创建套接字
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sfd == -1){
perror("[ERROR] Fail to socket.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct sockaddr_in svr_addr;
bzero(&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
svr_addr.sin_family = AF_INET;
svr_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
svr_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
int ret = connect(sfd, (const struct sockaddr *)&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Fail to connect.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//2.获取输入并发送
ssize_t sbytes = 0;
char buffer[1024] = {0};
strcpy(buffer, "Hello, server");
sbytes = send(sfd, buffer, strlen(buffer)+1, 0);
if(sbytes == -1){
perror("[ERROR] Fail to send.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
close(sfd);
return 0;
}
4.recv( )
基于 socket 接收数据需要调⽤ recv 函数, 具体信息如下。
函数头⽂件：
#include 示例：服务器发送数据，客户端接收数据（实现客户端的接收功能）
#include .\n" , argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//1.创建套接字
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sfd == -1){
perror("[ERROR] Fail to socket.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct sockaddr_in svr_addr;
bzero(&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
svr_addr.sin_family = AF_INET;
svr_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
svr_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
int ret = connect(sfd, (const struct sockaddr *)&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Fail to connect.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//2.获取输入并发送
ssize_t sbytes = 0;
char buffer[1024] = {0};
strcpy(buffer, "Hello, server");
sbytes = send(sfd, buffer, strlen(buffer)+1, 0);
if(sbytes == -1){
perror("[ERROR] Fail to send.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
bzero(buffer, sizeof(buffer));
//3.接收数据并显示
ssize_t rbytes = 0;
char buffer_recv[1024] = {0};
rbytes = recv(sfd, buffer_recv, sizeof(buffer_recv), 0);
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Fail to ercv.");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if(rbytes > 0){
printf("buffer : %s\n", buffer_recv);
}else if(rbytes == 0){
printf("server has been shut down.\n");
}
close(sfd);
return 0;
}
二、TCP服务端实现
将服务端的环节拆分，可得到以下流程图：
在上述流程中，相对于客户端，服务端主要增加以下新的操作：
- bind : 绑定 ip 地址与端⼝号，⽤于客户端连接服务器
- listen : 建⽴监听队列，并设置套接字的状态为 listen 状态, 表示可以接收连接请求
- accept : 接受连接, 建⽴三次握⼿, 并创建新的⽂件描述符, ⽤于数据传输
在整个过程中，socket 套接字状态如下图：
- CLOSED : 关闭状态。
- LISTEN：套接字的状态为 listen 状态, 表示可以接收连接请求。
- SYN-SENT : 套接字正在试图主动建⽴连接 [发送 SYN 后还没有收到 ACK]，很短暂。
- SYN-RECEIVE : 正在处于连接的初始同步状态 [收到对⽅的 SYN，但还没收到⾃⼰发过去的 SYN 的 ACK]。
- ESTABLISHED : 连接已建⽴。
1.bind( )
函数头⽂件：
#include 示例： 设计⼀个基本的服务器程序， 完成 socket 创建并绑定 ip 地址与端⼝号
#include .\n" , argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//1.创建套接字
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sfd == -1){
perror("[ERROR] Fail to socket.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct sockaddr_in svr_addr;
bzero(&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
svr_addr.sin_family = AF_INET;
svr_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
svr_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
//2.绑定ip地址与端口号
int ret = bind(sfd, (const struct sockaddr *)&svr_addr, sizeof(struct sockaddr));
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Failed to bind.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//3.设置套接字状态为监听状态，并建立监听队列
ret = listen(sfd, BACKLOG);
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Failed to listen.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//4.同意建立连接——accept
struct sockaddr_in cli_addr; //用来保存客户端的地址信息
socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in); //用来保存地址结构体的长度
int cfd = accept(sfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &len);
if(cfd == -1){
perror("[ERROR] Failed to accept.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("ip : %s, port : %d\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port));
//while(1){}
close(sfd);
return 0;
}
2.listen( )
在服务器绑定 ip 地址与端⼝号之后, 则需要让服务器 socket 套接字设置成被动监听状态，并 创建监听队列，这⾥需要调⽤ listen 函数。
函数头⽂件：
#include 3.accept( )
函数头⽂件：
#include 示例：设计⼀个服务器程序，并和客户端建⽴连接，并打印客户端的 ip 地址和端⼝号
#include .\n" , argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//1.创建套接字
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sfd == -1){
perror("[ERROR] Fail to socket.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct sockaddr_in svr_addr;
bzero(&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
svr_addr.sin_family = AF_INET;
svr_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
svr_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
//2.绑定ip地址与端口号
int ret = bind(sfd, (const struct sockaddr *)&svr_addr, sizeof(struct sockaddr));
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Failed to bind.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//3.设置套接字状态为监听状态，并建立监听队列
ret = listen(sfd, BACKLOG);
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Failed to listen.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//4.同意建立连接——accept
struct sockaddr_in cli_addr; //用来保存客户端的地址信息
bzero(&cli_addr, sizeof(struct sockaddr)); //清空
socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in); //用来保存地址结构体的长度
int cfd = accept(sfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &len);
if(cfd == -1){
perror("[ERROR] Failed to accept.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("ip : %s, port : %d\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port));
close(cfd);
close(sfd);
return 0;
}
添加功能：服务端打印出客户端的网络信息之后，进入死循环持续接收来自客户端发送来的消息，并将接收的消息以相同的内容发送回应给客户端。
//服务端
#include .\n" , argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//1.创建套接字
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sfd == -1){
perror("[ERROR] Fail to socket.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct sockaddr_in svr_addr;
bzero(&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
svr_addr.sin_family = AF_INET;
svr_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
svr_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
//2.绑定ip地址与端口号
int ret = bind(sfd, (const struct sockaddr *)&svr_addr, sizeof(struct sockaddr));
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Failed to bind.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//3.设置套接字状态为监听状态，并建立监听队列
ret = listen(sfd, BACKLOG);
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Failed to listen.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//4.同意建立连接——accept
struct sockaddr_in cli_addr; //用来保存客户端的地址信息
socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in); //用来保存地址结构体的长度
int cfd = accept(sfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &len);
if(cfd == -1){
perror("[ERROR] Failed to accept.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("ip : %s, port : %d\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port));
while(1)
{
rbytes = recv(cfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
if(rbytes == -1){
perror("[ERROR] Failed to recv.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
else if(rbytes > 0)
{
sbytes = send(cfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
if(rbytes == -1)
{
perror("[ERROR] Failed to recv.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
else if(rbytes == 0)
{
printf("the client has been shut down.\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
}
close(cfd);
close(sfd);
return 0;
}
//客户端
#include .\n" , argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//1.创建套接字
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sfd == -1){
perror("[ERROR] Fail to socket.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct sockaddr_in svr_addr;
bzero(&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in)); //清零
svr_addr.sin_family = AF_INET;
svr_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
svr_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
int ret = connect(sfd, (const struct sockaddr *)&svr_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
if(ret == -1){
perror("[ERROR] Fail to connect.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//2.获取输入并发送
ssize_t sbytes = 0;
char buffer[1024] = {0};
strcpy(buffer, "Hello"); //这里以 Hello 作为输入
sbytes = send(sfd, buffer, strlen(buffer)+1, 0);
if(sbytes == -1){
perror("[ERROR] Fail to send.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
bzero(buffer, sizeof(buffer));
//3.接收数据并显示
ssize_t rbytes = 0;
char buffer_recv[1024] = {0};
rbytes = recv(sfd, buffer_recv, sizeof(buffer_recv), 0);
if(ret == -1)
{
perror("[ERROR] Fail to ercv.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
else if(rbytes > 0)
{
printf("buffer : %s\n", buffer_recv);
}
else if(rbytes == 0)
{
printf("server has been shut down.\n");
}
close(sfd);
return 0;
}
三、粘包问题
TCP是面向字节流的协议，流就像河流中的水，TCP对数据包是以“组”的方式进行发送，而并非是一次发送全部的数据包，这么做是为了提升传输效率。在这个过程中，TCP默认使用Nagle算法，而Nagle算法主要做两件事：
1）只有上一个分组得到确认，才会发送下一个分组；
2）收集多个小分组，在一个确认到来时一起发送。所以，正是Nagle算法造成了发送方有可能造成粘包现象，也就是说数据发送出来它已经是粘包的状态了。
由于分组的存在，包与包之间没有明确的界限，所以会在发送时产生粘包现象。当网络传输数据的速度大于接收方处理数据的速度时，这时候就会导致，接收方在读取缓冲区时，缓冲区存在多个数据包。而且在 TCP 协议中，接收方是一次读取缓冲区中的所有内容，所以不能反映原本的数据信息。
而UDP是基于数据报的协议，它有消息边界，所以不会出现粘包现象。
TCP粘包的解决方案主要有两种：
- 方法⼀ : 使⽤定⻓数据包，每次必须要读取固定⻓度的数据，适⽤于数据⻓度是固定的场景。
- 方法⼆ : 使⽤数据⻓度 + 数据的⽅式，先接收一个4字节存储的数据⻓度，再根据数据⻓度值接收数据，这⾥就结合第⼀种⽅式，进⾏固定⻓度接收，这种⽅式适⽤于不定⻓数据场景。
第二种方法是最常用的。
以第二种方法为思路，编写客户端与服务端程序。
//客户端
#include //服务端
#include