TCP/IP网络编程（1）
发布时间：2022-08-19 13:36
1. 套接字
套接字是由操作系统提供的网络数据通信软件设备，即使对网络数据传输原理不了解，也能够使用套接字完成网络数据传输。为了与远程计算机进行数据传输，需要连接到英特网，套接字就是进行网络连接的工具。
服务端：接收连接请求的套接字创建流程如下：
1. 调用socket函数创建套接字
2. 调用bind函数分配IP地址和端口号（port）
3. 调用listen函数，套接字转为可接受请求状态
4. 调用accept函数接收连接请求
在Linux系统中，一切皆文件，因此Linux中的socket也是一种文件，因此在数据的传输过程中，可以使用文件IO相关的函数进行操作。而在Windows系统中，文件和socket是有区别的。
2. 套接字的类型：
面向连接的套接字（SOCKET_STREAM）
如果socket函数的第二个参数为SOCKET_STREAM,则会创建面向连接的的套接字，即TCP套接字。面向连接的套接字(TCP套接字)传输数据的方式与传送到传输物品类似，即只要传送带本身没有问题，就不会导致数据的丢失。且较晚传输的数据不会先到达，保证了数据的按序传递，TCP套接字的传输方式具有如下特点：
1. 传输过程中数据不会丢失
2. 数据按序传输
3. 传输的数据不存在数据边界
在收发数据的套接字内部有缓冲区，通过套接字传输的数据 将保存在缓冲区中，套接字收到数据并不意味着马上调用read函数。只要不超过数组容量，则有可能在数据填充满缓冲区之后通过调用1次read函数读取全部数据。也有可能通过多次调用read函数读取所有数据。也就是说在TCP套接字中，调用read,write方法的次数并无太大意义，所以说TCP套接字不存在数据边界。
如果接收的套接字接受速度较慢，导致接收缓冲区被填满，此时发送的套接字便会停止数据发送，直到接收端调用read函数读取数据使得缓冲区中有空余位置时，发送端套接字才会继续接着发送，因此不会造成数据丢失，而且在传输过程中如果发生数据丢失，还会进行数据的重新传输。因此TCP套接字除特殊情况外不会发生数据丢失。
面向消息的套接字（SOCKET_DGRAM）
如果socket函数的第二个参数为SOCKET_DGRAM,则会创建面向消息的套接字，即UDP套接字。UDP套接字传输数据类似于高速移动的摩托快递。其传输方式具有如下的特点：
1.强调快速传输而非顺序传输 （不一定保证次序）
2.传输的数据可能丢失，也可能损毁，没有数据重传机制
3. 传输的数据有边界
4. 限制每次传输的数据的大小
类似于两件包裹发送至统一目的地，只要以最快的速度交给用户即可。在输送过程中无需保证包裹的次序。包裹有大小限制且在传送的过程中存在损毁或者丢失的风险。且如果分多次发送包裹，接收者也需要分多次进行接收，即“传输的数据具有边界“，因此UDP套接字是一种”不可靠的，不按序传递的，以数据的高速传输为目的的套接字“。
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简单的服务端程序：《TCP/IP网络编程》书籍中的例子做了修改
例子：基于windows的服务端/客户端简socket通信单实现
功能：客户端输入计算表达式，再通过将表达式组成消息报文，发送给服务端，由服务端计算表达式的值，计算完成后再将结果返回给客户端，客户端对结果进行相应的展示：
消息报文格式如下所示：
| 索引 | 值 | 含义 |
| 0 | C | 消息头 |
| 1 | K | |
| 2 | 0 | 数据长度(第四个字节以后的数据长度) |
| 3 | 0 | |
| 4 | 0 | 参与运算的数字个数 |
| 5 | 0 | |
| 6 | 0 | 第一个运算数 |
| 7 | 0 | |
| 8 | 0 | |
| 9 | 0 | |
| 10 | 0 | 第 n 个运算数 |
| 11 | 0 | |
| 12 | 0 | |
| 13 | 0 | |
| 14 | + - * / | 运算符 |
| 15 | ||
| 16 | ||
| 17 | ||
| 18 |
服务端代码实现：
server.cpp
/*
简易计算器服务端代码
*/
#include "stdafx.h"
#include
#include
#include
#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")
#define BUFF_SIZE 100 // 定义接收数据缓冲区字节大小
#define MESSAGE_HEAD_SIZE 4 // 消息头大小
#define OPERAND_SIZE 4 // 运算数所占字节大小
#define RESULT_SIZE 4 // 计算结果所占的字节数
#define RESULT_OVERFLOW -999999 // 计算结果溢出
typedef unsigned short ushort;
typedef INT32 int32;
typedef INT16 int16;
void error_handle(char* message)
{
printf("%s\n", message);
system("pause");
exit(1);
}
int main()
{
WSADATA wsadata;
SOCKET serverSocket, clientSocket;
sockaddr_in serverAddr;
ushort port = 30100; // 定义端口号
// 定义缓冲区
char buffer[BUFF_SIZE];
memset(buffer, 0, BUFF_SIZE);
int32 result = 0;
int recvLen = 0; // 接收长度
int recvCount = 0; // 接收数据计数
// 初始化socket库
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata) != 0)
{
error_handle("Failed to init wsadata");
}
// 初始化服务端套接字
serverSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 服务端地址绑定
memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serverAddr.sin_port = htons(port);
int serverAddrSize = sizeof(serverAddr);
// 绑定端口
if (bind(serverSocket, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR)
{
error_handle("Failed to bind socket");
}
if (listen(serverSocket, 5) == SOCKET_ERROR)
{
error_handle("Falied to listen");
}
while (true)
{
// 等待接收连接
printf("Waiting for connction from client!\n");
clientSocket = accept(serverSocket, (sockaddr*)&serverAddr, &serverAddrSize);
if (clientSocket == INVALID_SOCKET)
{
printf("Failed to get connect from client!\n");
continue;
}
printf("Successfully get connect from client!\n");
recvLen = recv(clientSocket, buffer, BUFF_SIZE, 0); // 先读取四个字节的数据
if (recvLen < 4)
{
// 数据包数据缺失
result = 0; // 记得result清零
memset(buffer, 0, BUFF_SIZE); // buffer记得清零
continue; // 重新等待接收连接
}
// 校验消息头
if (buffer[0] != 'C' || buffer[1] != 'K')
{
printf("The message header is wrong!\n");
result = 0; // 记得result清零
memset(buffer, 0, BUFF_SIZE); // buffer记得清零
continue;
}
// 解析数据长度
int dataLen = buffer[2] | (buffer[3] << 8);
// recvLen = MESSAGE_HEAD_SIZE;
while (recvLen < (dataLen + 2 + 2))
{
recvCount = recv(clientSocket, &buffer[recvLen], BUFF_SIZE-1, 0); // 计算实际接收的数据的个数
recvLen += recvCount;
}
printf("Successfully recv messgae.\n");
int operand_count = buffer[MESSAGE_HEAD_SIZE] | (buffer[MESSAGE_HEAD_SIZE+1] << 8); // 运算数的数量
char caloperator = buffer[MESSAGE_HEAD_SIZE + 2 + operand_count*OPERAND_SIZE];
if (caloperator != '+' &&
caloperator != '-' &&
caloperator != '*' &&
caloperator != '/')
{
// error_handle("Operator is invalid!");
printf("Operator %c is invalid!", caloperator);
result = 0; // 记得result清零
memset(buffer, 0, BUFF_SIZE); // buffer记得清零
continue;
}
for (int i=0; i 客户端代码：
client.cpp
/*
建议服务器客户端代码
*/
#include "stdafx.h"
#include
#include
#include
using std::cout;
using std::endl;
// 类型定义
typedef unsigned short ushort;
typedef unsigned char uchar;
typedef INT32 int32;
typedef INT16 int16;
#define BUFFER_SIZE 100 // 定义缓冲区字节大小
#define OPERAND_SIZE 4 // 定义操作数的所占字节
#define OPERATOR_SIZE 2 // 定义操作符所占字节的大小
#define RESULT_SIZE 4 // 返回结果所占的字节数
#define RESULT_OVERFLOW -999999 // 计算结果溢出
#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")
//#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
//#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
void error_handle(char* message)
{
printf("%s\n", message);
system("pause");
exit(1);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
printf("Starting the calculate client...\n");
// 定义数据区
char buffer[BUFFER_SIZE];
memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
WSADATA wsadata;
SOCKET hsocket;
SOCKADDR_IN servAddr; // 服务器端地址
// 服务端的地址和端口号
char ipAddr[] = "127.0.0.1";
ushort port = 30100;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata) != 0) // 返回0表示初始化成功
{
error_handle("Failed to init socket lib."); // 初始化套接字相关的库失败
}
hsocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (hsocket == INVALID_SOCKET)
{
error_handle("Failed to create socket");
}
// 设置服务器地址以及端口
memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
servAddr.sin_family = AF_INET;
servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ipAddr); // inet_addr将字符串IP地址转成整数，且转成网络字节序
servAddr.sin_port = htons(port);
// 连接服务器
if (connect(hsocket, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR )
{
error_handle("Failed to connect to server\n");
}
else
{
printf("Successfully connected to server %s: %d\n", ipAddr, port);
}
ushort operand_count = 0;
printf("Plaese input operand count: ");
scanf("%d", &operand_count);
// 填充消息头
buffer[0] = 'C';
buffer[1] = 'K';
buffer[2] = 0;
buffer[3] = 0;
// 填充运算数个数
buffer[4] = (char) operand_count & 0x00ff;
buffer[5] = (char) operand_count & 0xff00;
for (int i=0; i> 8) & 0xff;
// 发送数据包
send(hsocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
// 接收服务端的数据
int result;
recv(hsocket, (char*)&result, sizeof(result), 0);
if (result != RESULT_OVERFLOW)
{
printf("The calculate result is %d.\n", result);
}
else
{
printf("The calculate result is overflow!");
}
closesocket(hsocket);
WSACleanup();
// 避免控制台不出现
system("pause");
return 0;
}
// 服务端/客户端通信的消息格式
/*
xx xx xx xxxx xxxx xxxx x
标识符 数据长度 运算数的个数(2bytes) 操作数1 操作数2 操作数n 运算符号
*/
运行结果如下图所示：
客户端输入以及结果展示
服务端输出：