实现基于 TCP 的服务器端/客户端

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，因此又称基于流（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”。

1.TCP服务器端的默认函数调用顺序

下图给出了TCP服务器端默认的函数调用顺序，绝大部分TCP服务器端都按照该顺序调用。

调用 socket 函数创建套接字，声明并初始化地址信息结构体变量；调用 bind 函数向套接字分配地址。这 $2$ 个阶段之前都已讨论过，下面讲解之后的几个过程。

1.1 进入等待连接请求状态（listen 函数）

我们已调用 bind 函数给套接字分配了地址，接下来就要通过调用 listen 函数进入等待连接请求状态。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。换言之，这时客户端才能调用 connect 函数（若提前调用将发生错误）。

#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

// 成功时返回0，失败时返回-1
// sockfd：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器端套接字（监听套接字）
// 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

“服务器端处于等待连接请求状态”是指，客户端请求连接时，受理连接前一直使请求处于等待状态。下图给出了这个过程。

由上图可知作为 listen 函数的第一个参数传递的文件描述符套接字的用途。客户端连接请求本身也是从网络中接收到的一种数据，而要想接收就需要套接字。此任务就由服务器端套接字完成。服务器端套接字是接收连接请求的一名门卫或一扇门。

客户端如果向服务器端询问：“请问我是否可以发起连接？”服务器端套接字就会亲切应答：“您好！当然可以，但系统正忙，请到等候室排号等待，准备好后会立即受理您的连接。”同时将连接请求请到等候室。调用 listen 函数即可生成这种门卫（服务器端套接字），listen 函数的第二个参数决定了等候室的大小。等候室称为连接请求等待队列，准备好服务器端套接字和连接请求等待队列后，这种可接收连接请求的状态称为等待连接请求状态。

listen 函数的第二个参数值与服务器端的特性有关，像频繁接收请求的 Web 服务器端至少应为 $15$。另外，连接请求队列的大小始终根据实验结果而定。

1.2 受理客户端连接请求（accept 函数）

调用 listen 函数后，若有新的连接请求，则应按序受理。受理请求意味着进入可接受数据的状态。也许各位已经猜到进入这种状态所需部件，当然是套接字！大家可能认为可以使用服务器端套接字，但服务器端套接字是做门卫的。如果在与客户端的数据交换中使用门卫，那谁来守门呢？因此需要另外一个套接字，但没必要亲自创建。accept 函数将自动创建套接字，并连接到发起请求的客户端。

#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

// 成功时返回创建的套接字文件描述符，失败时返回-1
// sockfd：服务器端套接字的文件描述符
// addr：保存发起连接请求的客户端地址信息的变量地址值，调用函数后向传递来的地址变量参数填充客户端地址信息
// addrlen：第二个参数addr结构体的长度，但是存有长度的变量地址。函数调用完成后，该变量即被填入客户端地址长度

accept 函数受理连接请求等待队列中待处理的客户端连接请求。函数调用成功时，accept 函数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。下图展示了 accept 函数调用过程。

上图展示了“从等待队列中取出 $1$ 个连接请求，创建套接字并完成连接请求”的过程。服务器端单独创建的套接字与客户端建立连接后进行数据交换。

1.3 回顾 HelloWorld 服务器端

下面分析之前未理解透的 HelloWorld 服务器端程序代码 hello_server.c。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
	int serv_sock;
	int clnt_sock;

	struct sockaddr_in serv_addr;
	struct sockaddr_in clnt_addr;
	socklen_t clnt_addr_size;

	char message[] = "Hello World!";
	
	if (argc != 2)
	{
    
    
		printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}

	// 服务器端实现过程中先要创建套接字。第28行创建套接字，但此时的套接字尚非真正的服务器端套接字。
	serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
	if (serv_sock == -1)
	{
    
    
		error_handling("socket() error");
	}

	// 为了完成套接字地址分配，初始化结构体变量并调用bind函数。
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

	if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
	{
    
    
		error_handling("bind() error");
	}

	// 调用listen函数进入等待连接请求状态。连接请求等待队列的长度设置为5。此时的套接字才是服务器端套接字。
	if (listen(serv_sock, 5) == -1)
	{
    
    
		error_handling("listen() error");
	}
	
	clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
	
	// 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。
	clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*) &clnt_addr, &clnt_addr_size);
	
	if (clnt_sock == -1)
	{
    
    
		error_handling("accept() error");
	}

	// 调用write函数向客户端传输数据，调用close函数关闭连接。
	write(clnt_sock, message, sizeof(message));

	close(clnt_sock);
	close(serv_sock);
	
	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    
    
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

2.TCP客户端的默认函数调用顺序

接下来讲解客户端的实现顺序，这要比服务器端简单许多。因为创建套接字和请求连接就是客户端的全部内容，如下图所示。

2.1 发起连接请求（connect 函数）

与服务器端相比，区别就在于“请求连接”，它是创建客户端套接字后向服务器端发起的连接请求。服务器端调用 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。那如何发起连接请求呢？通过调用 connect 函数完成。

#include <sys/socket.h>

int connect(int sockfd, struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);

// 成功时返回0，失败时返回-1
// sockfd：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：以字节为单位传递已传递给第二个结构体参数servaddr的地址变量长度

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）：

• 服务器端接收连接请求
• 发生断网等异常情况而中断连接请求

需要注意，所谓的“接收连接”并不意味着服务器端调用 accept 函数，其实是服务器端把连接请求信息记录到等待队列。因此 connect 函数返回后并不立即进行数据交换。

问：客户端套接字地址信息在哪？

实现服务器端必经过程之一就是给套接字分配IP和端口号。但客户端实现过程中并未出现套接字地址分配，而是创建套接字后立即调用 connect 函数。难道客户端套接字无需分配IP和端口？

当然不是！网络数据交换必须分配IP和端口。

既然如此，那客户端套接字何时、何地、如何分配地址呢？

• 何时？调用 connect 函数时。
• 何地？操作系统，更准确地说是在内核中。
• 如何？IP用计算机（主机）的IP，端口随机。

客户端的IP地址和端口在调用 connect 函数时自动分配，无需调用标记的 bind 函数进行分配。

2.2 回顾 HelloWorld 客户端

下面分析之前未理解透的 HelloWorld 客户端程序代码 hello_client.c。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

void error_handling(char *message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
	int sock;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char message[30];
	int str_len;
	
	if (argc != 3)
	{
    
    
		printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
		exit(1);
	}
	
	// 创建准备连接服务器端的套接字，此时创建的是TCP套接字。
	sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	if (sock == -1)
	{
    
    
		error_handling("socket() error");
	}

	// 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。
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

	// 调用connect函数向服务器端发送连接请求
	if (connect(sock, (struct sockaddr*) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
	{
    
    
		error_handling("connect() error!");
	}

	// 完成连接后，接收服务器端传输的数据
	str_len = read(sock, message, sizeof(message) - 1);
	
	if (str_len == -1)
	{
    
    
		error_handling("read() error!");
	}

	printf("Message from server: %s\n", message);

	// 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
	close(sock);

	return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    
    
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

3.基于TCP的服务器端和客户端函数调用关系

前面讲解了TCP服务器端和客户端的实现顺序，实际上二者并非相互独立，它们之间的交互过程如下图所示。

上图的总体流程整理如下：服务器端创建套接字后连续调用 bind、listen 函数进入等待状态，客户端通过调用 connect 函数发起连接请求。需要注意的是，客户端只能等到服务器端调用 listen 函数后才能调 connect 函数。同时要清楚，客户端调用 connect 函数前，服务器端有可能率先调用 accept 函数。当然，此时服务器端在调用 accept 函数时进入阻塞（blocking）状态，直到客户端调 connect 函数为止。