计算机网络socket编程(1)_UDP网络编程实现echo server

news2024/12/25 22:09:01

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计算机网络socket编程(1)_UDP网络编程实现echo server

收录于专栏【计算机网络】
本专栏旨在分享学习计算机网络的一点学习笔记，欢迎大家在评论区交流讨论💌 

目录

功能介绍 : 

1.  nocopy.hpp

2. InetAddr.hpp

3. UdpServer.hpp

4. UdpServerMain.cc

5. UdpClientMain.cc 

6. 效果展示

 

功能介绍 : 

简单的回显服务器和客服端代码, 能接受多个客服端的代码.

1.  nocopy.hpp

#pragma once

class nocopy
{
public:
    nocopy(){}
    ~nocopy(){}
    nocopy(const nocopy&) = delete;
    const nocopy& operator=(const nocopy&) = delete;
};

定义一个 nocopy 的类, 通过 C++11 delete 关键字的特性, 阻止该类的拷贝构造和拷贝赋值.

比如下面的例子都是不可以的 : 

nocopy obj1;
nocopy obj2 = obj1;  // 错误：拷贝构造函数被删除

nocopy obj1;
nocopy obj2;
obj2 = obj1;  // 错误：拷贝赋值运算符被删除

 为什么需要禁止对象的拷贝呢?

这样的设计常见于以下情况 :

1. 资源管理类 : 例如, 涉及底层资源 (如文件句柄, 网络连接等) 的类通常不希望被复制, 因为这些资源可能会导致资源管理上的混乱或错误~

2. 不想允许拷贝的类: 有些类可能设计上不希望被拷贝,  例如类的状态可能是唯一的, 拷贝它没有意义~~ 

我们这里显然是第一种~~

2. InetAddr.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

class InetAddr
{
private:
    void ToHost(const struct sockaddr_in &addr)
    {
        _port = ntohs(addr.sin_port);
        _ip = inet_ntoa(addr.sin_addr);
    }

public:
    InetAddr(const struct sockaddr_in &addr):_addr(addr)
    {
        ToHost(addr);
    }
    std::string Ip()
    {
        return _ip;
    }
    uint16_t Port()
    {
        return _port;
    }
    ~InetAddr()
    {
    }

private:
    std::string _ip;
    uint16_t _port;
    struct sockaddr_in _addr;
};

InetAddr 类它封装了网络地址 (IP 端口), 以及提供了访问这些信息的方法, 该类通过了 struct sockaddr_in 来存储 IP 地址和端口, 并提供了转换和获取信息的功能

成员变量 :

_ip : 存储 IP 地址, 使用 std::string 类型, 因为 IP 地址通常表示一个点分十进制的字符串

_port : 存储端口号, 使用 uint16_t 类型, 端口号是一个16位的无符号整数

_addr : 存储原始的 struct sockaddr_in 结构体, 它包含了 IP 地址和端口信息

ToHost():

ToHost() : 将 struct sockaddr_in 中的网络字节数据转换为主机字节序, 并提取 IP 和端口.

ntohs(addr.sin_port) : 将网络字节序的端口号转换为主机字节序

inet_ntoa(addr.sin_addr) : 将网络字节序的 IP 地址转换为点分十进制的字符串的形式 

构造函数 : 

构造函数 : 接受一个 struct sockaddr_in 类型的参数, 表示网络地址

构造函数初始化 _addr 成员, 存储传入的地址

然后调用 ToHost() 方法来从该地址中提取 IP 和端口, 并进行转换 

Ip() && Port()

Ip() : 返回存储的 IP 地址, 类型为 std::string

Port() : 返回存储的端口号, 类型为 uint16_t 

析构函数 :

由于没有动态分配资源, 所以没有必要进行额外的清理工作~

3. UdpServer.hpp

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

#include "nocopy.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "InetAddr.hpp"

using namespace log_ns;

static const int gsockfd = -1;
static const uint16_t glocalport = 8888;

enum
{
    SOCKET_ERROR = 1,
    BIND_ERROR
};

// UdpServer user("192.1.1.1", 8899);
// 一般服务器主要是用来进行网络数据读取和写入的。IO的
// 服务器IO逻辑 和 业务逻辑 解耦
class UdpServer : public nocopy
{
public:
    UdpServer(uint16_t localport = glocalport)
        : _sockfd(gsockfd),
          _localport(localport),
          _isrunning(false)
    {
    }
    void InitServer()
    {
        // 1. 创建socket文件
        _sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        if (_sockfd < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket error\n");
            exit(SOCKET_ERROR);
        }
        LOG(DEBUG, "socket create success, _sockfd: %d\n", _sockfd); // 3

        // 2. bind
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(_localport);
        // local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_localip.c_str()); // 1. 需要4字节IP 2. 需要网络序列的IP -- 暂时
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 服务器端，进行任意IP地址绑定

        int n = ::bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
        if (n < 0)
        {
            LOG(FATAL, "bind error\n");
            exit(BIND_ERROR);
        }
        LOG(DEBUG, "socket bind success\n");
    }
    void Start()
    {
        _isrunning = true;
        char inbuffer[1024];
        while (_isrunning)
        {
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t len = sizeof(peer);
            ssize_t n = recvfrom(_sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);
            if (n > 0)
            {
                InetAddr addr(peer);
                inbuffer[n] = 0;
                std::cout << "[" << addr.Ip() << ":" << addr.Port() << "]# " << inbuffer << std::endl;


                std::string echo_string = "[udp_server echo] #";
                echo_string += inbuffer;
                sendto(_sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);
            }
            else
            {
                std::cout << "recvfrom ,  error"  << std::endl;
            }
        }
    }
    ~UdpServer()
    {
        if(_sockfd > gsockfd) ::close(_sockfd);
    }

private:
    int _sockfd;
    uint16_t _localport;
    // std::string _localip; // TODO:后面专门要处理一下这个IP
    bool _isrunning;
};

这段代码定义了一个 UdpServer 类, 用于创建和管理一个 UDP 服务器, 它能够接受客户端的消息并发送相应~

1. 常量和枚举

gsockfd : 设置为 -1, 用作初始的 sockfd, 代表一个无效的套接字描述符

glocalport : 服务器的默认接口, 默认值为 8888

SOCKET_ERROR 和 BIND_ERROR : 自定义的错误代码, 分别代表套接字创建失败和绑定失败.

2. 成员变量

_sockfd : 存储套接字文件描述符

_localport : 服务器绑定的本地端口号

_isrunning : 一个布尔值, 指示服务器是否正在运行

3. 构造函数

UdpServer 类的构造函数的初始化了以下成员变量 : 

_sockfd : 默认初始化为 gsockfd (-1), 表示无效的套接字

_localport : 使用传入的端口号 localport 或默认端口 glocalport (8888) 

isrunning : 初始化为 false , 表示服务器的初始状态是未运行.

4. InitServer()

创建套接字 : 使用 socket() 函数创建一个 UDP 套接字, AF_INET 表示使用 IPv4 协议, SOCK_DGRAM 表示使用 UDP. 

1. 如果创建失败, 记录日志并退出

2. 成功后, 输出日志, 显示套接字描述符 _sockfd.

绑定套接字 : 使用 bind() 函数将套接字与本地地址 (IP 和端口) 绑定

local.sin_family = AF_INET : 设置为 IPv4 地址族

local.sin_port = htons(_localport) : 将端口号转换为网络字节序

local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY : 服务器绑定到任意 IP 地址 

band() 调用套接字与本地地址绑定, 如果绑定失败, 记录错误日志并退出

5. Start()

Start() 方法用于接收数据并发送响应

_isrunning = true : 启动服务器, 进入接收数据的循环

recvfrom() : 接收 UDP 数据包, 数据存放在 inbuffer 中, peer 存储发送方的地址信息

如果接收成功 (n > 0), 则:

1. 创建一个 InetAddr 对象, 解析发送对方的 IP 地址和端口

2. 输出接收到的消息及其来源 IP 和端口

3. 生成一个响应消息 ("[udp_server echo]#" + 接收的消息), 然后使用 sendto() 将其发送回客户端

如果 recvfrom() 失败, 打印错误消息.

6. 析构函数

在 UdpServer 对象销毁时, 关闭套接字 _sockfd, 如果 _sockfd 大于 gsockfd (即有效套接字), 则调用 close() 关闭套接字 

4. UdpServerMain.cc

#include "UdpServer.hpp"

#include <memory>

// ./udp_server local-port
// ./udp_server 8888
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]);

    EnableScreen();  
    std::unique_ptr<UdpServer> usvr = std::make_unique<UdpServer>(port); //C++14的标准
    usvr->InitServer();
    usvr->Start();
    return 0;
}

std::stoi(argv[1]) : 将命令行参数中的端口号字符串 (argv[1]) 转换为 uint6_t 类型 (无符号16位整数), std::stoi 是 C++ 标准库函数, 用于将字符串转换为整数, 如果 argv[1] 不是一个有效的数组, std::stoi 将抛出异常

std::unique_ptr<UdpServer> usvr = std::make_unique<UdpServer>(port) : 

这行代码使用了 C++14 引入的 std::make_unique, 它用来创建一个 std::unique_ptr, 智能指针类型, 用于管理动态分配的 UdpServer 对象.

std::make_unique<UdpServer>(port) : 动态创建一个 UdpServer 对象, 并将端口号 port 传递给它的构造函数.

std::unique_ptr<UdpServer> usvr : usvr 是一个智能指针, 指向创建的 Udpserver 对象, unique_ptr 确保在 usvr 离开作用域时自动销毁对象, 避免内存泄露.

UdpServer 类接收一个端口号作为构造参数, 表示该服务器将在指定的端口上运行

然后便直接 初始化服务器 和 启动服务 

5. UdpClientMain.cc 

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

// 客户端在未来一定要知道服务器的IP地址和端口号
// ./udp_client server-ip server-port
// ./udp_client 127.0.0.1 8888
int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " server-ip server-port" << std::endl;
        exit(0);
    }

    std::string serverip = argv[1];
    uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]);

    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        std::cerr << "create socket error" << std::endl;
        exit(1);
    }

    // client的端口号，一般不让用户自己设定，而是让client OS随机选择？怎么选择，什么时候选择呢？
    // client 需要 bind它自己的IP和端口， 但是client 不需要 “显示” bind它自己的IP和端口， 
    // client 在首次向服务器发送数据的时候，OS会自动给client bind它自己的IP和端口

    struct sockaddr_in server;
    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());
    while(1)
    {
        std::string line;
        std::cout << "Please Enter# ";
        std::getline(std::cin, line);

        // std::cout << "line message is@ " << line << std::endl;

        int n = sendto(sockfd, line.c_str(), line.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)); // 你要发送消息，你得知道你要发给谁啊！
        if(n > 0)
        {
            struct sockaddr_in temp;
            socklen_t len = sizeof(temp);
            char buffer[1024];
            int m = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, (struct sockaddr*)&temp, &len);
            if(m > 0)
            {
                buffer[m] = 0;
                std::cout << buffer << std::endl;
            }
            else
            {
                std::cout << "recvfrom error" << std::endl;
                break;
            }
        }
        else
        {
            std::cout << "sendto error" << std::endl;
            break;
        }
    }

    ::close(sockfd);
    return 0;
}

1. 从命令行获取目标服务器的 IP 地址和端口号。

2. 创建 UDP 套接字并配置服务器的地址。

3. 进入循环，等待用户输入数据。

4. 将用户输入的数据通过 sendto 发送给服务器。

5. 接收服务器的响应数据并输出到控制台。

6. 出现错误时终止通信并关闭套接字。

6. 效果展示

 

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