基于TCP的服务端与客户端

1. TCP/IP协议栈

TCP/IP协议栈示意图如下所示：

1.1 链路层

链路层是物理链路连接标准化的结果，也是最基本的一层，是所有网络协议栈的基石。

1.2 IP层

IP层通过使用链路层来发送数据，IP层面向的是一个个的数据包，通过选定发送路径将数据包发送出去。因为IP层只负责传输数据包，因此当传输路径发送错误时，IP层可以重新选择路径并重新发送，但如果数据包发生错误或丢失，IP层使无法解决的。

1.3 TCP/UDP层

因IP层无法解决数据丢失/发生错误的情况，因此由上层的TCP/UDP层来对数据包进行控制，利用IP层提供的网络路径信息完成数据。同时TCP由于存在三次握手、四次挥手、数据包接收确认、重传等机制，可以实现数据包的可靠传输。

1.4 应用层

应用层运行的是我们的应用程序，使用socket相关接口完成网络通信、数据传输。

2. 基于TCP的服务端函数调用

下图为基于TCP的服务端socket函数调用顺序：

下面我们一一介绍各API。

2.1 listen函数

listen函数的函数原型：

/**
 * @brief 监听连接请求
 * @param[in] sock    要监听的套接字
 * @param[in] backlog listen队列长度，若队列为5，表示最多可以使5个连接请求进入队列。
 * @return    0：成功 -1：失败
 */
int listen(int sock, int backlog);

listen函数用于创建队列，调用listen后的套接字，系统会为其维护两个队列：未完成连接队列、已完成连接队列，两个队列的长度不能大于backlog，其中未完成队列保存未完成三次握手的连接，已完成队列保存完成三次握手的队列。

2.2 accept函数

accept函数的函数原型:

/**
 * @brief 接收客户端连接
 * @param[in]  sock    服务器套接字
 * @param[out] addr    客户端地址信息
 * @param[out] addrlen 客户端地址信息长度
 * @return     -1：失败  其他：发起连接的客户端套接字
 */
int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

默认状态下，当调用accept函数后，服务端程序会处于阻塞状态。`<br />accept函数`负责受理客户端的连接请求，当连接成功建立后，函数会将高链接移入已完成连接队列，并返回。

3. 基于TCP的客户端函数调用

下图为函数调用顺序：

客户端不需要添加网络地址信息，这些都会在执行connect``函数时由系统处理：

• 添加操作发生在操作系统内核中。
• 端口、IP信息由操作系统选取，IP地址为本机地址，端口为本机随机空闲端口。

  3.1 connect函数``

  connect函数的函数原型为： ```cpp /**
  • @brief 发起连接请求
  • @param[in] sock 客户端套接字
  • @param[in] addr 服务端地址信息
  • @param[in] addrlen 服务端地址信息长度
  • @return 0：成功 -1：失败 */

int connet(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

`connect``函数`向服务器发起连接请求，若连接成功建立，则返回`0`，若连接建立失败，则返回`-1`。
<a name="pR6nz"></a>
### 4. 三次握手与socket API的关系
![Untitled Diagram.drawio (2).png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/1735291/1636184097386-f4dbbd50-3afe-4b38-aa1e-88807fa523ca.png#height=389&id=O665E&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=Untitled%20Diagram.drawio%20%282%29.png&originHeight=389&originWidth=375&originalType=binary&ratio=1&size=14521&status=done&style=none&width=375)<br />我们可以看出：
   - 三次握手请求由`客户端通过connet函数`发起，服务器只是在被动等待三次握手请求
   - `connect``函数`返回发生在三次握手的第二步完成之后
   - `accept``函数`返回发生在三次握手完成之后
<a name="zV8Gd"></a>
### 5. 实例程序：
```cpp
// server.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#define ACCEPT_NUM 5
#define BUFFER_SIZE 1024
int main(int argc, char *argv[])
{    
    if (argc < 2)
    {
        return -1;
    }
    int i = 0;
    int read_len = 0;
    socklen_t accept_len = 0;
    char buf[BUFFER_SIZE];
    int sock_server = 0;
    int sock_client = 0;
    struct sockaddr_in addr_server;
    struct sockaddr_in addr_client;
    // 初始化服务器套接字
    sock_server = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (-1 == sock_server)
    {
        printf("初始化套接字错误 \n");
        return -1;
    }
    // 初始化网络地址
    memset(&addr_server, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
    addr_server.sin_family = AF_INET;
    addr_server.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    addr_server.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    if (-1 == bind(sock_server, (struct sockaddr *)&addr_server, sizeof(addr_server)))
    {
        printf("绑定网络地址到套接字失败 \n");
        return -1;
    }
    if (-1 == listen(sock_server, ACCEPT_NUM))
    {
        printf("监听网络套接字失败 \n");
        return -1;
    }
    for (i = 0; i < ACCEPT_NUM; ++i)
    {
        sock_client = accept(sock_server, (struct sockaddr *)&addr_client, &accept_len);
        if(-1 == sock_client)
        {
            printf("accept失败 \n");
        }
        else
        {
            printf("与套接字 %d 客户端建立连接 \n", sock_client);
        }
        while ((read_len = read(sock_client, buf, BUFFER_SIZE)) != 0)
        {
            buf[read_len] = '\0';
            write(sock_client, buf, read_len);
        }
        close(sock_client);
    }
    close(sock_server);
    return 0;
}
// client.c
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#define BUFFER_SIZE 1024
int main(int argv, char *argc[])
{
    if (2 > argv)
    {
        return -1;
    }
    int i = 0, write_len = 0, read_len = 0;
    char buf[BUFFER_SIZE] = {0};
    int sock_client = 0;
    struct sockaddr_in addr_server;
    // 创建客户端套接字
    sock_client = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (-1 == sock_client)
    {
        printf("初始化套接字错误 \n");
        return -1;
    }
    // 初始化要连接的服务器网络地址
    memset(&addr_server, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
    addr_server.sin_family = AF_INET;
    addr_server.sin_addr.s_addr = inet_addr(argc[1]);
    addr_server.sin_port = htons(atoi(argc[2]));
    if (-1 == connect(sock_client, (struct sockaddr*)&addr_server, sizeof(struct sockaddr)))
    {
        printf("连接服务器失败 \n");
        return -1;
    }
    while (1)
    {
        fputs("请输入字符串:", stdout);
        fgets(buf, BUFFER_SIZE, stdin);
        if (0 == strcmp(buf, "q\n") ||  0 == strcmp(buf, "Q\n"))
        {
            break;
        }
        write_len = write(sock_client, buf, strlen(buf));
        while (read_len < write_len)
        {
            read_len += read(sock_client, &buf[read_len], BUFFER_SIZE);
        }
        buf[read_len] = '\0';
        read_len = 0;
        printf("接收到的字符串：%s \n", buf);
    }
    close(sock_client);
}