TCP网络通信

TCP网络通信的步骤

对于服务器端

1. 创建监听套接字。（调用socket函数）

   • 使用 socket 函数创建一个 TCP 套接字，为服务器提供网络通信的基础。该套接字将用于监听客户端的连接请求。例如：

   int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   

2. 显式bind服务器的IP地址和端口号。

   • 使用 bind 函数将服务器的 IP 地址和端口号绑定到创建的套接字上。确保服务器能够通过指定的地址和端口来接受客户端的连接请求。例如：

   struct sockaddr_in server_addr;
   server_addr.sin_family = AF_INET;
   server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定到所有可用网络接口
   server_addr.sin_port = htons(8080);  // 指定端口号
   bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
   

3. 设置监听套接字为监听状态，监听客户端请求。

   • 使用 listen 函数将套接字转换为监听状态，服务器开始等待客户端的连接请求。

   listen(server_fd, 5);  // 最大监听队列长度为 5
   

4. 接受客户端的连接请求。（同时会创建一个专门与这个客户端通信的套接字）

   • 使用 accept 函数接受客户端的连接请求。在此期间，服务器会阻塞，直到有客户端发起连接请求。接受客户端请求后，函数会返回一个新的套接字，该套接字专门用于与客户端通信。

   int client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);
   

   最后两个参数是与正在请求连接的客户端地址相关的参数，如果你不需要发送数据，可以都传NULL。

   • 返回的套接字（即与客户端通信的套接字）在大多数情况下会继承 监听套接字 的 本地地址和端口。也就是说它并不需要重复bind。

5. 收发数据：

   • 服务器通过 recv 接收客户端发送的数据，并通过 send 向客户端发送响应数据。此时，通信已经通过与客户端建立的专用套接字进行。

     recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0);  // 接收数据
     send(client_fd, response, strlen(response), 0);  // 发送数据
     

细节：

1. listen函数的作用是将监听套接字设置为监听状态，并不会阻塞，当监听套接字设置为监听状态后，服务器端才可以监听客户端请求，进而建立连接。
2. 当客户端向服务器发起连接请求时，这些请求不会直接被服务器立即处理，而是由操作系统暂时存放在监听队列中。监听队列的长度backlog，由用户指定。但是它只影响监听队列的大小，而不限制已经成功建立的连接数量。
3. 在默认情况下，accept 函数会阻塞，直到有客户端的连接请求到来并完成三次握手。

对于客户端

和服务器端的行为类似，不同的是：

• 客户端是请求连接方，网络中不会有进程与它主动建立连接，所以它不需要监听套接字，进而也不需要调用listen函数。
• 它需要主动调用connect函数与服务器端发起连接请求。

步骤：

1. 创建通信的套接字。
2. bind（不用显式bind，当客户端发起连接时，OS会自动bind）。
3. 向服务器发起连接请求（connect函数）。
4. 收发数据。
5. 关闭通信套接字。

TCP实现echo功能

客户端发送什么，服务器就返回什么。

代码实现

服务器端

服务器端需要不停的建立连接，可以使用多线程、线程池、或者多进程来实现。但是不能使用一个单线程的进程，因为可能需要连接的客户端有很多，建立连接成功后，每个连接都会进入死循环（不停收发数据），直到客户端退出。

如果使用单线程的进程，一个客户端建立连接成功，它就会阻塞到该客户端处理数据的函数中，无法继续处理请求了。

我们使用线程池版本来实现服务器端的代码：

#pragma once
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/types.h>
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include"Log.hpp"
#include"InetAddr.hpp"
#include"ThreadPool.hpp"// 错误码
enum
{SOCKETERROR = 1,BINDERROR,USAGEERROR
};// 定义funccommunicate为一个函数类型，用于线程池的任务队列
using funccommunicate = function<void()>;// TcpServer类实现TCP服务器的功能
class TcpServer
{   
private:int _listensock;  // 监听套接字uint16_t _port;   // 服务器端口bool _is_running; // 服务器是否在运行public:// 构造函数，初始化套接字和端口号TcpServer(uint16_t port):_listensock(-1),_port(port),_is_running(false){}// 初始化服务器，创建监听套接字并绑定地址和端口void InitServer(){_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  // 创建TCP套接字if (_listensock == -1){LOG(FATAL, "socket error");exit(1);}LOG(INFO, "socket success");// 配置服务器地址struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(_port);  // 转换端口号为网络字节序addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定所有可用接口// 绑定套接字到指定端口和IP地址if (bind(_listensock, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1){LOG(FATAL, "bind error");exit(1);}LOG(INFO, "bind success");// 开始监听客户端连接，最大连接数为5if (listen(_listensock, 5) == -1){LOG(FATAL, "listen error");exit(1);}}// 处理每个连接的业务逻辑void Service(int sockfd, InetAddr addr){LOG(INFO, "new connect: %s:%d", inet_ntoa(addr.addr().sin_addr), ntohs(addr.addr().sin_port));  // 输出连接信息// 处理接收和响应循环while (true){char buffer[1024];  // 用于接收数据的缓冲区memset(buffer, 0, sizeof(buffer));  // 初始化缓冲区为0int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);  // 接收客户端数据// 构建客户端信息字符串string sender = "[" + addr.ip() + ":" + to_string(addr.port()) + "]#";if (n == -1)  // 如果接收失败{perror("recv");  // 输出错误信息break;}else if (n == 0)  // 客户端关闭了连接{LOG(INFO, "client close");break;}else  // 数据接收成功{buffer[n] = 0;  // 确保接收的数据是一个合法的C字符串LOG(INFO, "%s%s", sender.c_str(), buffer);  // 打印接收到的数据string echoserver = "[echo server]#" + string(buffer);  // 构建回显信息// 获取服务器端新套接字的本地地址和端口struct sockaddr_in local_addr;socklen_t len = sizeof(local_addr);if (getsockname(sockfd, (struct sockaddr*)&local_addr, &len) == -1){perror("Getsockname failed");return;}// 输出本地地址和端口信息printf("New socket local address: %s:%d\n", inet_ntoa(local_addr.sin_addr), ntohs(local_addr.sin_port));// 发送回显消息到客户端send(sockfd, echoserver.c_str(), echoserver.size(), 0);}}close(sockfd);  // 关闭套接字，结束与客户端的通信};// 服务器主循环，不断接收新的连接请求void Loop(){_is_running = true;while (_is_running){struct sockaddr_in peer;  // 存储客户端的地址信息socklen_t len = sizeof(peer);// 等待并接受新的连接请求int sockfd = ::accept(_listensock, (struct sockaddr*)&peer, &len);cout << "建立新连接成功" << endl;if (sockfd == -1)  // 如果接收连接失败，输出错误信息{perror("accept");break;}InetAddr addr(peer);  // 将客户端地址封装到InetAddr对象中// 版本1：直接调用Service处理连接（不建议这种方式，因为它会阻塞并限制并发）// Service(sockfd, addr);  // 每次只能处理一个连接，无法同时处理多个连接// 版本2：使用线程池处理连接（推荐的方式，支持并发）bool ret = ThreadPoolModule::ThreadPool<funccommunicate>::GetInstance()->EnqueueTask(bind(&TcpServer::Service, this, sockfd, addr));}_is_running = false;}// 析构函数，关闭监听套接字~TcpServer(){if (_listensock != -1){close(_listensock);}}
};

getsockname函数介绍

• int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr,socklen_t *restrict addrlen);
  • 函数功能：返回当前套接字bind的地址。
  • 参数：
    • int sockfd：要查看bind地址的套接字描述符。
    • struct sockaddr *restrict addr：输出型参数，该函数会把地址写进这个变量指向的空间中。
    • socklen_t *restrict addrlen：指向保存结构体大小变量的指针，输入型参数。
  • 返回值：成功0被返回。否则-1被返回，errno被设置。
  • 头文件： <sys/socket.h>。

客户端

TcpClient.cc:

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>using namespace std;// Usage函数：如果程序参数不正确，打印如何使用该程序的提示信息
void Usage(char* s)
{cout << "Usage:\n\t" << s << " serverip serverport" << endl;exit(1);
}int main(int argc, char* argv[])
{// 检查传入的参数数量，若参数不正确，则调用Usage函数if(argc != 3){Usage(argv[0]);  // 打印使用帮助信息并退出return 1;}// 从命令行参数获取服务器IP地址和端口号string ip = argv[1];  // 服务器IP地址uint16_t port = stoi(argv[2]);  // 服务器端口号，将字符串转换为整数// 创建套接字，使用IPv4地址族和TCP协议（SOCK_STREAM表示流式套接字）int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  // 创建TCP套接字if(sockfd == -1)  // 如果创建套接字失败，打印错误并返回{perror("socket create error");  // 输出错误信息return 1;}// 客户端不需要bind，bind通常用于服务器端// 客户端也不需要listen，监听请求是服务器端的工作// 设置服务器的地址信息struct sockaddr_in addr;  // sockaddr_in结构体用于存储服务器的网络地址addr.sin_family = AF_INET;  // 使用IPv4地址族addr.sin_port = htons(port);  // 设置服务器的端口号（htons将端口号转换为网络字节序）inet_pton(AF_INET, ip.c_str(), &addr.sin_addr.s_addr);  // 将IP地址字符串转换为网络字节序的二进制格式// 连接到服务器if(connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1)  // 调用connect连接服务器{perror("connect error");  // 如果连接失败，输出错误信息return 1;}// 客户端和服务器之间进行通信while(true){string message;cout << "please input message:";  // 提示用户输入消息getline(cin, message);  // 从标准输入获取一行字符串作为消息// 将输入的消息发送到服务器send(sockfd, message.c_str(), message.size() + 1, 0);  // 发送消息到服务器，+1用于包括消息结尾的'\0'// 接收服务器返回的消息char buffer[1024];  // 定义接收缓冲区，大小为1024字节memset(buffer, 0, sizeof(buffer));  // 将缓冲区初始化为0int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);  // 从服务器接收数据if(n == -1)  // 如果接收数据失败{perror("recv error");  // 输出错误信息break;  // 跳出循环，关闭连接}else if(n == 0)  // 如果服务器关闭了连接{cout << "server close" << endl;  // 打印提示信息break;  // 跳出循环，结束通信}else  // 数据接收成功{buffer[n] = 0;  // 确保接收到的数据是一个合法的C字符串（添加终止符'\0'）cout << buffer << endl;  // 输出服务器返回的消息}}// 关闭套接字，结束与服务器的通信close(sockfd);  // 关闭套接字return 0;  // 程序正常结束
}

效果展示

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• 打印服务器端与客户端通信的socket套接字描述符的地址，发现端口一样（8080），但是和虚拟机客户端和本地的客户端通信的服务器端的套接字bind的IP地址不同，这是因为服务器bind的IP地址是0.0.0.0，表示监听主机内所以网络接口的流量，虚拟机客户端访问和本地访问的流量进入主机内，流量会经过不同的网络接口，所以与他们通信的套接字的IP地址会不同。

对比两组函数

1. recv、recvform、read。

   • recv与read：

     • 相似之处：都是从文件描述符🀄️读取数据。

     • 不同之处：recv是专门用于网络套接字中读取数据，而read更加通用，可以读取任何类型的文件描述符。允许指定标志（flags）来控制接收操作的行为。例如，标志可以指定如何处理数据或是否采用非阻塞模式等。

   • recvfrom与recv：

     • recvfrom：recvfrom() 是设计用来接收数据包并且能够获取发送方的地址信息的。常常在UDP中使用，在TCP中也可以接收数据，但它不会返回对端的地址信息。

       

     • recv：recv是专门用于TCP接收数据，它是从一个已经建立的连接中获取数据，因此不需要提供发送方的地址信息。recv也能在UDP中接收数据，但它无法获取发送方的地址信息。

     

2. send、sendto、write：

   • 相同点：这一组函数都是用于发送数据的。

   • 不同点：send与sendto用于网络通信，从套接字描述符中读取数据。而write更加的通用。send用于TCP通信，面向连接，不需要指定客户端地址。而sendto需要指定客户端的地址。

     

     • 尽管从用户角度看它们的功能略有重叠，网络相关的功能通常会选择 send 和 sendto，因为它们支持更多与网络协议相关的选项。