【网络编程】之Udp网络通信步骤
- TCP网络通信
- TCP网络通信的步骤
- 对于服务器端
- 对于客户端
- TCP实现echo功能
- 代码实现
- 服务器端
- getsockname函数介绍
- 客户端
- 效果展示
- 对比两组函数
TCP网络通信
TCP网络通信的步骤
对于服务器端
-
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);
- 使用
-
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));
- 使用
-
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
- 使用
-
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
。
- 使用
-
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:
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。- 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。 - 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:
- 创建通信的套接字。
bind
(不用显式bind
,当客户端发起连接时,OS会自动bind
)。- 向服务器发起连接请求(
connect
函数)。 - 收发数据。
- 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5
if (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0
int 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>
。
- 函数功能:返回当前套接字
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0
int 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
- 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
-
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。
-
-
-
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。
-