第 4 章 基于 TCP 的服务端/客户端（1）

4.1 理解 TCP 和 UDP

根据数据传输方式的不同，基于网络协议的套接字一般分为 TCP 套接字和 UDP 套接字。因为 TCP 套接字是面向连接的，因此又被称为基于流（stream）的套接字。

TCP 是 Transmission Control Protocol （传输控制协议）的简写，意为对数据传输过程的控制

4.1.1 TCP/IP 协议栈

TCP/IP 协议栈共分为 4 层，可以理解为数据收发分成了 4 个层次化过程，通过层次化的方式来解决问题

4.1.2 链路层

链路层专门定义 LAN、WAN、MAN 等网络标准。若两台主机通过网络进行数据交换，则需要物理连接，链路层就负责这些标准。

4.1.3 IP 层

准备好物理连接后就要传输数据。为了在复杂网络中传输数据，首先要考虑路径的选择。向目标传输数据需要经过哪条路径？ 解决此问题的就是IP层，该层使用的协议就是IP。

IP 是面向消息的、不可靠的协议。每次传输数据时会帮我们选择路径，但并不一致。如果传输过程中发生错误，则选择其他路径，但是如果发生数据丢失或错误，则无法解决。换言之，IP协议无法应对数据错误。

4.1.4 TCP/UDP 层

IP 层解决数据传输中的路径选择问题，只需照此路径传输数据即可。TCP 和 UDP 层以 IP 层提供的路径信息为基础完成实际的数据传输，故该层又称为传输层。UDP 比 TCP 简单，现在我们只解释 TCP 。 TCP 可以保证数据的可靠传输，但是它发送数据时以 IP 层为基础（这也是协议栈层次化的原因）。

IP 层只关注一个数据包（数据传输基本单位）的传输过程。因此，即使传输多个数据包，每个数据包也是由 IP 层实际传输的，也就是说传输顺序及传输本身是不可靠的。若只利用IP层传输数据，则可能导致后传输的数据包B比先传输的数据包A提早到达。另外，传输的数据包A、B、C中可能只收到A和C，甚至收到的C可能已经损毁 。反之，若添加 TCP 协议则按照如下对话方式进行数据交换。

这就是 TCP 的作用。如果交换数据的过程中可以确认对方已经收到数据，并重传丢失的数据，那么即便IP层不保证数据传输，这类通信也是可靠的。

4.1.5 应用层

上述内容是套接字通信过程中自动处理的。选择数据传输路径、数据确认过程都被隐藏到套接字内部。向程序员提供的工具就是套接字，只需要利用套接字编出程序即可。编写软件的过程中，需要根据程序的特点来决定服务器和客户端之间的数据传输规则，这便是应用层协议。

4.1.6 生活小例子

假设你在网上买了个增肌粉，店家送你一个杯子，一个小盒子和一罐营养片三个赠品，你在福州下单之后店家就在武汉发货了。链路层就像是福州和武汉之间无数条公路，这是必须的基础设施；IP层就像快递员，他可以选择某一条很近的道路送过来，但是他无法保证先送过来的是增肌粉，于是他先把赠品送了过来，实际上我们是要求有序（先增肌粉再赠品），于是你去了快递站发现只有一个赠品，是无法从快递站拿出来的；淘宝的聊天系统就像 TCP 协议，你告诉店家只有一个赠品时，店家会说：“抱歉，忘记发增肌粉了”然后重发或者他会崔快递员赶紧把增肌粉发到福州，那么我就能先拿到增肌粉再拿到赠品了。如果这时候发现赠品少了个杯子或者杯子损坏了，我就可以通过聊天系统和店家反应，这时店家就会给我重新发一个一模一样的赠品。

4.2 实现基于 TCP 的服务器/客户端

4.2.1 TCP 服务端的默认函数的调用程序

这在第一章就已经讲到过了

4.2.2 进入等待连接请求状态

调用 bind 函数给套接字分配地址，接下来就是要通过调用 listen 函数进入等待链接请求状态。只有调用了 listen 函数，客户端才能进入可发出连接请求的状态。客户端可以调用 connect 函数，向服务端请求连接，对于客户端发来的请求，先进入连接请求等待队列，等待服务端受理请求。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sock, int backlog);
//成功时返回0，失败时返回-1
//sock: 希望进入等待连接请求状态的套接字文件描述符，传递的描述符套接字参数称为服务端套接字
//backlog: 连接请求等待队列的长度，若为5，则队列长度为5，表示最多使5个连接请求进入队列            

4.2.3 受理客户端连接请求

调用 listen 函数后，套接字应该按序受理客户端发起的连接请求。受理请求就是服务端处理一个连接请求，进入可接受客户端数据的状态。进入这种状态所需的部件是套接字，但是此时使用的不是服务端套接字，此时需要另一个套接字，但是没必要亲自创建，下面的函数将自动创建套接字。
因此，服务端和客户端之间是有三个套接字的

#include <sys/socket.h>
int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
/*
成功时返回文件描述符，失败时返回-1
sock: 服务端套接字的文件描述符
addr: 受理的请求中，客户端地址信息会保存到该指针指向的地址
addrlen: 该指针指向的地址中保存第二个参数的结构体长度
*/

accept 函数受理连接请求队列中待处理的客户端连接请求。函数调用成功后，accept 内部将产生用于数据 I/O 的套接字，并返回其文件描述符。需要强调的是套接字是自动创建的，并自动与发起连接请求的客户端建立连接。

注意：accept 函数返回的套接字不等于服务端套接字，也需要通过 close 函数关闭。

4.2.4 回顾 Hello World 服务端

代码：程序下载

重新整理一下代码的思路

1. 服务端实现过程中首先要创建套接字，此时的套接字并非是真正的服务端套接字
2. 为了完成套接字地址的分配，初始化结构体变量并调用 bind 函数。
3. 调用 listen 函数进入等待连接请求状态。连接请求状态队列的长度设置为5。
4. 调用 accept 函数从队头取 1 个连接请求与客户端建立连接，并返回创建的套接字文件描述符。另外，调用 accept 函数时若等待队列为空，则 accept 函数不会返回，直到队列中出现新的客户端连接。此时的套接字才是服务端套接字
5. 调用 write 函数向客户端传送数据，调用 close 关闭连接

4.2.5 TCP 客户端的默认函数调用顺序

与服务端相比，区别就在于「请求连接」，它是创建客户端套接字后向服务端发起的连接请求。服务端调用 listen 函数后创建连接请求等待队列，之后客户端即可请求连接。

#include <sys/socket.h>
int connect(int sock, struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);
/*
成功时返回0，失败返回-1
sock:客户端套接字文件描述符
servaddr: 保存目标服务器端地址信息的变量地址值
addrlen: 第二个结构体参数 servaddr 变量的字节长度
*/

客户端调用 connect 函数后，发生以下情况之一才会返回（完成函数调用）:

• 服务端接受连接请求
• 发生断网等异常状况而中断连接请求

注意：接受连接不代表服务端调用 accept 函数，其实只是服务器端把连接请求信息记录到等待队列。因此 connect 函数返回后并不应该立即进行数据交换。

客户端在调用connect函数时自动分配主机的IP，随机分配端口。无需调用标记的bind函数进行分配。

4.2.6 回顾 Hello World 客户端

重新理解这个程序：

1. 创建准备连接服务器的套接字，此时创建的是 TCP 套接字
2. 结构体变量 serv_addr 中初始化IP和端口信息。初始化值为目标服务器端套接字的IP和端口信息。
3. 调用 connect 函数向服务端发起连接请求
4. 完成连接后，接收服务端传输的数据
5. 接收数据后调用 close 函数关闭套接字，结束与服务器端的连接。(对套接字调用close函数，对应于向建立连接的对应套接字发送EOF。即，如果客户端的套接字调用了close函数，服务端read时候会返回0。)

4.2.7 基于 TCP 的服务端/客户端函数调用关系

关系图如下所示：

• 客户端只能等到服务端调用 listen 函数后才才能调用 connect 函数
• 服务器端可能会在客户端调用 connect 之前调用 accept 函数，这时服务器端进入阻塞（blocking）状态，直到客户端调用 connect 函数后接收到连接请求。

4.2.8 服务端/客户端函数调用思维导图

简单整理了一下服务端和客户端的思维导图，方便大家记忆
服务端：

客户端：

4.3 实现迭代服务端/客户端

4.3.1 实现迭代服务器端

在 Hello World 的例子中，等待队列的作用没有太大意义。如果想继续处理好后面的客户端请求应该怎样扩展代码？最简单的方式就是插入循环反复调用 accept 函数，如图:

可以看出，调用 accept 函数后，紧接着调用 I/O 相关的 read write 函数，然后调用 close 函数。这并非针对服务器套接字，而是针对 accept 函数调用时创建的套接字。

服务端程序基本运行方式：

1. 服务器端在同一时刻只与一个客户端相连(将来学完进程和线程后，就可以编写同时服务多个客户端的服务器端了,目前只能做到这一步)，并提供回声服务。
2. 服务器端依次向5个客户端提供服务并退出。
3. 客户端接收用户输人的字符串并发送到服务器端
4. 服务器端将接收的字符串数据传回客户端，即“回声”
5. 服务器端与客户端之间的字符串回声一直执行到客户端输入Q为止。

程序代码如下：

服务端和客户端的程序，思维导图

运行结果：

但是「第二章」中说过「TCP 不存在数据边界」，上述客户端是基于 TCP 的，因此多次调用 write 函数传递的字符串有可能一次性传递到服务端。此时客户端有可能从服务端收到多个字符串，这不是我们想要的结果。还需要考虑服务器的如下情况：

「字符串太长，需要分 2 个包发送！」

服务端希望通过调用 1 次 write 函数传输数据，但是如果数据太大，操作系统就有可能把数据分成多个数据包发送到客户端。另外，在此过程中，客户端可能在尚未收到全部数据包时就调用 read 函数。