Linux网络——TcpServer

news2024/9/22 11:25:35

一、UDP 与 TCP

在现实生活中,Udp 类似于发传单,Tcp 类似于邮局的挂号信服务。

1.1 UDP(用户数据报协议)

  • 无连接:发放传单时,你不需要提前和接受传单的人建立联系,直接把传单发出去。
  • 不可靠:有些传单可能会丢失、被扔掉或者没有被正确传递,但你不会重新发放。
  • 无流控制和无拥塞控制:你可以很快地发放很多传单,不考虑每个人是否能接收到。
  • 低延迟:由于不需要建立联系和跟踪,传单发放的速度非常快。

1.2 TCP(传输控制协议)

  • 面向连接:寄挂号信之前,你需要填写表单并支付费用,类似于 TCP 建立连接的过程。
  • 可靠性:挂号信可以跟踪,每一步都有记录,确保信件安全送达。若有问题,邮局会负责调查并重新投递。
  • 流控制和拥塞控制:邮局会根据工作负荷调整处理速度,避免一次处理过多信件导致延误。
  • 数据传输顺序:挂号信件会按照顺序逐步处理和递送,确保不会弄乱信件的顺序。

1.3 总结

UDP:适用于对传输速度和实时性要求高,但对可靠性要求较低的场景,例如视频直播、在线游戏和语音通信。UDP 的传单发放方式虽然不保证每张传单都能被接收,但可以快速地将信息传递出去,适用于实时性和速度优先的通信。

TCP:适用于需要可靠传输和顺序保证的场景,例如网页浏览、文件传输和电子邮件。TCP 的挂号信服务确保每一封信都能安全到达目的地,适用于需要可靠性和顺序的通信。

二、TCP 的三次握手与四次挥手

为了提高接计算效率,需要发送方与接收方约定:一起开启、一起结束。这个约定的开启与结束就叫做连接的建立与关闭。

2.1 三次握手

1. TCP建立连接时,发送方先传达一个连接意愿

2. 接收方收到后需要响应这个消息,若不响应,发送方可能会一直重发消息。除此之外,接收方还要表达连接意愿

3.发送方响应接收方的意愿。

这就是TCP协议中所谓的三次握手。

2.2 TCP的面向字节流

面向字节流意味着数据被视为一连串无结构的字节,而不是一个个独立的数据包或消息。在发送数据时,应用程序可以将数据作为一个连续的字节流发送,TCP 会负责将这些字节分割成适当大小的数据段(segments)并通过网络传输。

2.2.1 TCP 面向字节流的特点和原因

1.数据传输的连续性

TCP 提供一种连续的数据传输方式,应用程序可以以任意大小发送数据,无需关心底层网络的传输单元(数据包)。

这种方式对于许多应用场景来说非常方便,例如文件传输、流媒体传输等,数据可以以任意大小和顺序发送。

2.数据的有序性

TCP 确保数据按照发送的顺序到达接收方,即使底层网络可能会将数据包乱序传输。

通过面向字节流,TCP 可以在接收端重新组装数据,确保数据的顺序性,对于依赖顺序数据的应用非常重要。

3.数据分段和重组

TCP 将应用程序发送的字节流分割成适合传输的段,每个段包含一个序列号,用于在接收端重新组装数据。

接收方可以根据这些序列号将数据段正确地拼接成原始的字节流。

4.流控制和拥塞控制

  • TCP 的流控制机制(如滑动窗口协议)和拥塞控制机制能够更好地管理和优化字节流传输。
  • 这些机制帮助 TCP 在保证数据完整性和顺序性的同时,提高网络传输的效率和可靠性。

2.2.2 实际应用中的好处

  • 灵活性:面向字节流使得应用程序可以以任意大小和任意顺序发送数据,TCP 负责处理这些数据的传输细节。
  • 简化应用开发:应用开发者不需要处理底层网络传输的复杂性,可以专注于应用逻辑。
  • 可靠性:TCP 确保数据完整无误地传输到目的地,即使网络环境不稳定。

2.3 四次挥手

1. 发送方发起断开意愿

2. 接收端响应消息

3. 接收方表达断开意愿

4. 发送方响应断开意愿

可以看出,这和三次握手的规律大致相同,只是把中间一条拆分成了两条,其中2和3不可以合并为一条,当接收方等待数据数据接收完整后,才可以表达断开意愿。

三、TCPServer 的封装

3.1 整体框架

TCPServer 的整体框架与 UDPServer 基本相同,都是采用默认不传入 ip ,只传入 port ,并在类内创建套接字并完成绑定。但是TCP有一个不同点,TCP会处于监听状态,等待用户的请求。

在 TCP 通信中,服务器需要等待客户端的连接请求。listen 函数将一个已经绑定到特定地址和端口的套接字转换为监听套接字,这意味着服务器开始监听指定的地址和端口上的连接请求
建立连接:在 TCP 中,通信开始前必须先建立连接。listen 函数使服务器进入监听状态,准备处理来自客户端的连接请求。这与 TCP 的面向连接特性直接相关。

根据上面的描述,可以得到,在TCP协议中,一般存在两个 sockfd ,第一个 sockfd 类似于UDP协议中的 sockfd,以下称为 listensockfd ,它标定TCP服务端,用于客户端与服务器的链接,当客户端与服务器已经连接时,第二个 sockfd 就要产生作用了,它用于标定与TCP客户端相连的唯一用户

以饭店拉客为例子, listensockfd 用于标定唯一的一家饭店,当顾客进入饭店时,就会有专门的一个服务员为顾客提供服务,这就是 sockfd 。

#include <iostream>

static const int gdefaultsockfd = -1;
class TcpServer
{
public:
    TcpServer(uint16_t port) : _listensockfd(gdefaultsockfd), _port(port), _isrunning(false)
    {
    }
    ~TcpServer() {}

private:
    int _listensockfd;
    uint16_t _port;
    bool _isrunning;
};

3.2 服务器的初始化

初始化的前半部分工作与UDP类似,都是创建套接字、创建并填充 sockaddr_in 结构体、绑定地址与端口。不同的是,在创建套接字时, socket 的第二个参数设置为 SOCK_STREAM ,用于标定 TCP 协议,在绑定后,使用 listen 函数持续监听是否有新用户的到来。

listen 函数

其中,listen 函数原型如下:

参数:
声明 sockfd 处于监听状态, 并且最多允许有 backlog 个客户端处于连接等待状态, 如果接收到更多的连接请求就忽略,这里设置不会太大(一般是5)。
返回值:
listen() 成功返回0,失败返回 -1;

enum
{
    SOCKET_ERROR = 1,
    BIND_ERROR,
    LISTEN_ERROR,
};
static const int gdefaultsockfd = -1;
static const int gbacklog = 8;    
    void InitServer()
    {
        _listensockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listensockfd < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket erro ");
            exit(SOCKET_ERROR);
        }

        struct sockaddr_in local;

        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(_port);
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

        int n = ::bind(_listensockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
        if (n < 0)
        {
            LOG(FATAL, "bind error");
            exit(BIND_ERROR);
        }
        LOG(DEBUG, "bind success, sockfd is : %d\n", _listensockfd);

        n = listen(_listensockfd, gbacklog);
        if (n < 0)
        {
            LOG(FATAL, "listen error");
            exit(LISTEN_ERROR);
        }
        LOG(DEBUG, "listen success, sockfd is : %d\n", _listensockfd);
    }

3.3 服务器的运行

因为UDP服务器允许接入多一个用户,为了让多个用户之间的操作不受影响,可以有很多种策略,比如多进程、多线程、线程池等方案,这里例举多线程。

多线程写法

多线程首先就要使用到 pthread_create 函数,下面再来回顾一下该函数原型:


首先就要定义一个 thread_t 类型的变量用于记录线程的ID,在调用该函数时,传入的回调方法与回调方法需要的参数都需要根据要求而定,下面就直接忽略了:

//主函数体内:
pthread_t t;
pthread_create(&t, nullptr, HandlerSock, ...);

使用 pthread_detach(pthread_self()) 标识线程主动分离

//执行的回调方法
static void *HandlerSock(void *args)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    xxx = static_cast<ThreadData *>(args);
    //可以进一步封装要执行的操作
    delete xxx;
    return nullptr;
}

accept 函数

三次握手完成后,服务器调用accept()接受连接,函数原型如下:

传入参数:

1. 如果服务器调用 accept() 时还没有客户端的连接请求,就阻塞等待直到有客户端连接上来;
2. addr 是一个传出参数,accept() 返回时传出客户端的地址和端口号;
3. 如果给 addr 参数传 NULL,表示不关心客户端的地址;
4. addrlen 参数是一个传入传出参数(value-result argument), 传入的是调用者提供的, 缓冲区addr 的长度以避免缓冲区溢出问题, 传出的是客户端地址结构体的实际长度(有可能没有占满调用者提供的缓冲区)

返回值:

这里的返回值就是我们在上面所说的单独服务每桌客人的服务员,该函数返回一个新的 sockfd 用于标定与服务器相连的唯一用户。

运行函数

    void Loop()
    {
        _isrunning = true;
        while (_isrunning)
        {
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t len = sizeof(peer);
            int sockfd = accept(_listensockfd, (struct sockaddr *)&peer, &len);
            if (sockfd > 0)
            {
                LOG(WARNING, "accept error\n");
                continue;
            }
            pthread_t t;
            pthread_create(&t, nullptr, ...); // 线程执行的回调方法与传参
        }
    }

四、TCPClient 的封装

TcpClient 的封装与 UdpClient 类似,调用时都需要传入ip地址与端口号,在main函数中设置环境变量,根据环境变量的值来判断执行是否有误。

Linux网络——套接字与UdpServer-CSDN博客

其中也有不同,下面先来看引入的两个新函数:

connect 函数

客户端需要调用connect()连接服务器,在三次握手中,connect 函数主要负责发起第一次握手和完成第三次握手。

  • 当客户端调用 connect 函数时,它会向服务器发送一个 SYN 包(第一次握手)。
  • 客户端的 TCP/IP 协议栈会处理来自服务器的 SYN-ACK 包,并自动回复一个 ACK 包(第三次握手)。

函数原型:

传入参数:

connect和bind的参数形式一致,区别在于bind的参数是自己的地址,而connect的参数是对方的地址。

返回值:
connect() 成功返回0,出错返回-1。

send 函数

send 函数是用于在网络编程中通过已连接的套接字发送数据的函数,通常用于 TCP 套接字编程。

传入参数:

sockfd:一个已连接的套接字描述符。这个套接字通常是通过 socket 函数创建、通过 connect 函数连接(客户端)或者通过 accept 函数接受(服务器)得到的。

buf:指向要发送的数据的缓冲区。

len:要发送的数据的长度(以字节为单位)。

flags:用于指定发送行为的标志位,一般设置为 0 即可。

    常用的标志位有:

     0:默认行为。

     MSG_DONTWAIT:非阻塞发送。

     MSG_OOB:发送带外数据。

     MSG_NOSIGNAL:发送时不触发 SIGPIPE 信号。

#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

void Usage(std::string proc)
{
    std::cout << "Usage:\n\t" << proc << " serverip serverport\n"
              << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }
    std::string serverip = argv[1];
    uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]);

    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        std::cerr << "socket error" << std::endl;
        exit(2);
    }

    // tcp client 要bind,不要显示的bind.
    struct sockaddr_in server;
    // 构建目标主机的socket信息
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(serverport);
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str());

    int n = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
    if (n < 0)
    {
        std::cerr << "connect error" << std::endl;
        exit(3);
    }

    while(true)
    {
        std::cout << "Please Enter# ";
        std::string outstring;
        std::getline(std::cin, outstring);

        ssize_t s = send(sockfd, outstring.c_str(), outstring.size(), 0); //write
        if(s > 0)
        {
            char inbuffer[1024];
            ssize_t m = recv(sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer)-1, 0);
            if(m > 0)
            {
                inbuffer[m] = 0;
                std::cout << inbuffer<< std::endl;
            }
            else
            {
                break;
            }
        }
        else
        {
            break;
        }
    }

    ::close(sockfd);
    return 0;
}

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