【计网】从零开始使用TCP进行socket编程 --- 客户端与服务端的通信实现
阵雨后放晴的天空中，
出现的彩虹很快便会消失。
而人心中的彩虹却永不会消失。
--- 太宰治 《斜阳》---
从零开始使用TCP进行socket编程
- 1 TCP与UDP
- 2 TCP服务器类
- 2.1 TCP基础知识
- 2.2 整体框架设计
- 2.3 初始化接口
- 2.4 循环接收接口与服务接口
- 3 服务端与客户端
- 测试运行
1 TCP与UDP
我们之前实现了UDP协议下的客户端与服务端的通信。
UDP（用户数据报协议）和TCP（传输控制协议）都是网络通信中常用的传输层协议，它们在数据传输的方式和特性上存在以下特点：
TCP
- TCP 是面向连接的协议，意味着在数据传输之前，必须先建立一个连接，完成握手过程。这个连接在数据传输结束之后需要被断开。
- TCP 提供了可靠的服务。它确保数据包的顺序传输，并且通过确认（ACK）和重传机制保证数据的可靠性。
- TCP 因为需要建立连接、保证数据顺序和可靠性，所以传输速度相对较慢。
- TCP 将数据视为一个连续的数据流，确保数据按照发送的顺序到达。
- TCP 适用于要求高可靠性的应用，如网页浏览、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）等。
- TCP 头部较大，因为它需要包含更多的信息来管理连接状态和保证数据的可靠性。
UDP
- UDP 是无连接的，它发送数据之前不需要建立连接，每个数据报文都是一个独立的信息传输单位。
- UDP 不保证数据包的顺序，也不保证数据包的可靠性。如果数据在传输过程中丢失，UDP不会进行重传。
- UDP 由于无需建立连接和保证可靠性，通常用于对实时性要求较高的应用，如视频会议和在线游戏，传输速度较快。
- UDP 将数据视为独立的、离散的数据包（datagrams），每个数据包独立处理，可能以不同的顺序到达。
- UDP 头部较小，处理起来更为高效。
- UDP 适用于实时性要求高的应用，如流媒体、实时视频会议（VoIP）、在线游戏等。
通俗理解的话：TCP的传输过程类似管道，数据从一端发送，然后在另一端按顺序接收。UDP传输数据的过程类似送快递，数据报文会一股脑包装在一起发送给接收者！
2 TCP服务器类
2.1 TCP基础知识
• socket()打开一个网络通讯端口,如果成功的话,就像 open()一样返回一个文件描述符;
• 应用程序可以像读写文件一样用 read / write 在网络上收发数据，通过流来进行读取写入！
• 如果 socket()调用出错则返回-1；
• 对于 IPv4, family 参数指定为 AF_INET;
• 对于 TCP 协议，type 参数指定为 SOCK_STREAM, 表示面向流的传输协议
• protocol 参数的介绍从略,指定为 0 即可。
2.2 整体框架设计
下面我们就来设计一下TCP协议下的服务器类：
- 成员变量需要整体通信的_listensockfd和端口号_port，后续绑定网络通信接口，从中读取连接流。
- 初始化接口InitServer:对端口号进行绑定，将网络通信接口设置为"接听"模式，可以获取外部的链接。
- 循环读取接口Loop：从网络通信接口获取连接流与发送者的信息，之后进行数据接收。
- 服务端口Service:根据获取的连接流和发送者的信息开始读取接收数据
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <memory>
#include <string>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include "Log.hpp"
#include "InetAddr.hpp"
using namespace log_ns;
//基础信息
const int gport = 8888;
const int gblocklog = 8;
//错误码
enum
{
SOCKET_FD = 1,
SOCKET_BIND,
SOCKET_LISTNE
};
class TcpServer
{
public:
TcpServer(int port = gport) : _port(port),
_listensockfd(-1),
_isrunning(false)
{
}
// 进行初始化
void InitServer()
{
}
void Loop()
{
}
void Service(int sockfd, InetAddr addr)
{
}
~TcpServer()
{
}
private:
uint16_t _port; // 服务器端口
int _listensockfd; // 链接文件
bool _isrunning;
};
这就是基础的框架。
2.3 初始化接口
InitServer()初始化接口进行的工作很好理解：
- 首先创建socket文件，获取到
_listensockfd - 然后将服务器结构体的成员进行初始化,将服务器端口与
_listensockfd进行绑定 - 最后将
_listensockfd通过listen函数进入监听状态。
初始化任务就完成了
// 进行初始化
void InitServer()
{
// 创建socket文件 --- 字节流方式
_listensockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (_listensockfd < 0)
{
LOG(FATAL, "socket error!!!\n");
exit(SOCKET_FD);
}
LOG(INFO, "socket create success!!! _listensockfd: %d\n", _listensockfd);
// 建立server结构体
struct sockaddr_in local;
memset(&local , 0 , sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 服务器IP一般设置为0
local.sin_port = htons(_port); //一定注意主机序列转网络序列
// 进行绑定
if (::bind(_listensockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0)
{
LOG(FATAL, "bind error!!!\n");
exit(SOCKET_BIND);
}
LOG(INFO, "bind success!!!\n");
// 将_listensockfd文件转换为listening状态！！！
if (::listen(_listensockfd, gblocklog) < 0)
{
LOG(FATAL, "listen error!!!\n");
exit(SOCKET_LISTNE);
}
LOG(INFO, "listen success!!!\n");
}
2.4 循环接收接口与服务接口
Loop()循环接收接口需要：
- 不断从套接字文件中accept获取连接流与客户端信息！
- 获取成功后，就可以进行服务了
- 服务就是从流中读取数据，然后处理之后再写回流中!!!使用的接口是read与write，文件流中我们对他们很熟悉！！！
void Loop()
{
_isrunning = true;
while (_isrunning)
{
// accept接收sockfd
struct sockaddr_in client;
socklen_t len = sizeof(client);
int sockfd = ::accept(_listensockfd, (struct sockaddr *)&client, &len);
if(sockfd < 0)
{
LOG(WARNING, "accept error\n");
continue;
}
InetAddr addr(client);
// 读取数据
LOG(INFO, "get a new link, client info : %s, sockfd is : %d\n", addr.AddrStr().c_str(), sockfd);
// version 0 --- 不靠谱版本
Service(sockfd, addr);
}
_isrunning = false;
}
void Service(int sockfd, InetAddr addr)
{
LOG(INFO , "service start!!!\n");
while (true)
{
char buffer[1024];
ssize_t n = ::read(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
LOG(INFO , "sockfd read success!!! buffer: %s\n" , buffer);
std::string str = "[server echo]#";
str += buffer;
write(sockfd, str.c_str(), str.size());
}
else if(n == 0)
{
LOG(INFO , "client %s quit!\n" , addr.AddrStr().c_str());
break;
}
else
{
LOG(ERROR, "read error: %s\n", addr.AddrStr().c_str());
break;
}
}
::close(sockfd);
}
这样基础的服务器的通信工作就写好了
3 服务端与客户端
接下来我们来完善一下服务端和客户端的通信逻辑，让他们可以通信起来
服务端简单的创建一个服务器类然后进行初始化和loop就可以了！！！
#include "TcpServer.hpp"
int main(int argc , char* argv[])
{
if(argc != 2)
{
std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " local-port" << std::endl;
exit(0);
}
uint16_t port = std::stoi(argv[1]);
std::unique_ptr<TcpServer> tsvr = std::make_unique<TcpServer>(port);
tsvr->InitServer();
tsvr->Loop();
return 0;
}
客户端稍微复杂一些：
- 首先根据传入的参数进行初始化服务器IP地址和端口号
- 然后创建套接字文件 ，并进行connect连接绑定bind,客户端回被动绑定一个端口号！！！
- 绑定成功之后就可以通过sockfd进行写入与读取了！！！
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <memory>
#include <string>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include "Log.hpp"
using namespace log_ns;
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 3)
{
std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " server-ip server-port" << std::endl;
exit(0);
}
std::string ip = argv[1];
uint16_t port = std::stoi(argv[2]);
// 创建socket文件
int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0)
{
LOG(FATAL, "sockfd create error!!!\n");
exit(1);
}
struct sockaddr_in server;
memset(&server, 0, sizeof(server)); // 数据归零
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(port); // 端口号 主机序列转网络序列！！！
::inet_pton(AF_INET, ip.c_str(), &server.sin_addr);//安全写入
// 进行发送数据
int n = ::connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
if (n < 0)
{
std::cerr << "connect socket error" << std::endl;
exit(2);
}
// 链接成功
while (true)
{
// 进行写入
std::string line;
std::cout << "Please Enter: ";
std::getline(std::cin, line);
::write(sockfd, line.c_str(), line.size());
LOG(DEBUG , "write success !!!\n");
// 读取数据
char buffer[1024];
int n = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer));
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << buffer << std::endl;
}
else
{
break;
}
}
::close(sockfd);
return 0;
}
测试运行
我们来测试一下服务端和客户端是否可以做到通信：
很好，可以完美的进行通信！！！
之后我们就可以加入多线程，加入回调函数逻辑，就可以进行业务处理了！！！