1. 客户端/服务端通信流程
在前面的学习中，我们学习了客户端和服务端进行网络通信的函数接口，下面这张图就是客户端和服务端之间的通信流程，相信你应该不陌生了。
图1-客户端/服务器通信流程
2. 示例
服务器程序
程序实现服务端从客户端读字符，然后将每个字符转换为大写并回写给客户端。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <arpa/inet.h>
#define SERV_PORT 10001
#define SERV_IP "192.168.0.107"
int main(void) {
int sfd, cfd;
int len, i;
//BUFSIZ是系统内嵌的一个宏，用来指定buf大小
char buf[BUFSIZ], clie_IP[BUFSIZ];
struct sockaddr_in serv_addr, clie_addr;
socklen_t clie_addr_len;
sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET , SERV_IP , &serv_addr.sin_addr.s_addr);
serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
//绑定套接字
bind(sfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
//设定连接上限,这里不会阻塞
listen(sfd, 64);
printf("wait for client connect ...\n");
clie_addr_len = sizeof(clie_addr);
//阻塞等待客户端发起连接
cfd = accept(sfd, (struct sockaddr *)&clie_addr, &clie_addr_len);
//打印客户端的ip地址和端口号
printf("client IP:%s\tport:%d\n",
inet_ntop(AF_INET, &clie_addr.sin_addr.s_addr, clie_IP, sizeof(clie_IP)),
ntohs(clie_addr.sin_port));
//循环处理客户端的数据请求
while (1) {
len = read(cfd, buf, sizeof(buf));
//read返回0说明对端已经关闭
if(len == 0){
break;
}
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
//处理客户端数据，小写转大写
for (i = 0; i < len; i++){
buf[i] = toupper(buf[i]);
}
//处理完数据，回写给客户端
write(cfd, buf, len);
}
//关闭连接
close(sfd);
close(cfd);
return 0;
}
客户端程序
客户端程序从控制台中获得一个字符串发给服务器，然后接收服务器转换后大写的字符串并打印到控制台。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#define SERV_IP "192.168.0.107"
#define SERV_PORT 10001
int main(void) {
int sfd, len;
struct sockaddr_in serv_addr;
char buf[BUFSIZ];
sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, SERV_IP, &serv_addr.sin_addr.s_addr);
serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
connect(sfd, (struct sockaddr *)&serv_addr , sizeof(serv_addr));
//循环读写数据
while (1) {
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
//将数据写给服务器
write(sfd, buf, strlen(buf));
//从服务器读取转换后数据
len = read(sfd, buf, sizeof(buf));
write(STDOUT_FILENO, buf, len);
if(buf[0] == 'Q'){
break;
}
}
//关闭链接
close(sfd);
return 0;
}
程序执行结果：
如上图所示，客户端向服务端发送一个hello world字符串，然后服务器将字符串转大写后再发回到客户端，接着客户端再输入q关闭客户端和服务器之间的tcp连接。
这里我们思考一个问题，客户端和服务端进行通信时，tcp协议做了哪些事情，在网络中又是怎么进行的？接下来我们就从网络的角度来分析客户端和服务端的通信流程。
3. 基于tcp的客户端/服务端通信分析
图2-通信过程
图2中展示了客户端（192.168.0.101）和服务端（192.168.0.107）之间的整个通信流程在网络中是怎么进行的（有兴趣的小伙伴可以自己做实验分析数据包或者参考tcp/ip协议学习笔记目录，这里就略过不讲了），而根据上图我们大致可以把基于tcp协议的客户端和服务端通信流程大致分为以下三个过程：即建立tcp连接过程，数据传输过程，关闭tcp连接过程，下面我们将会围绕这三个过程进行详细的分析。
3.1 建立连接过程
图3-建立连接过程
首先是建立连接过程，服务端会调用socket()、bind()、listen()函数完成初始化等一系列准备工作后，再调用accept()阻塞等待客户端的连接。
而客户端调用socket()创建套接字后，就可以调用connect()向服务端发出SYN段并阻塞等待确认，当服务器收到对端的SYN段时，就会回复一个SYN + ACK段（SYN+ACK段有两个作用，一是服务端对客户端的SYN段的确认，二是服务端向客户端发起建立连接）。
当客户端收到SYN+ACK段后就会从connect()返回，并给服务器发送一个ACK段，服务器收到这个ACK段后，此时客户端和服务端之间已经建立tcp连接，就会从accept()返回，开始处理客户端的数据请求。
3.2 数据传输过程
图4-数据传输的过程
当客户端和服务端建立tcp连接后，按照tcp通信流程，服务器从accept()返回后会分配一个新的cfd跟客户端通信，并立刻调用read(cfd)读取客户端的请求数据，如果客户端还没有发送数据，服务端则会在read处阻塞等待。
当客户端和服务端建立tcp连接后，按照tcp通信流程，服务器从accept()返回后会分配一个新的cfd跟客户端通信，并立刻调用read(cfd)读取客户端的请求数据，如果客户端还没有发送数据，服务端则会在read处阻塞等待。
这时客户端调用write()向服务器发送了一个hello world字符串，服务器收到这个字符串后从read()返回，对客户端的字符串进行小写转大写处理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的回写数据，服务器调用write()将转换后的大写字符串再发回给客户端，并再次调用read()阻塞等待下一条请求，当客户端收到后从read()返回，调用write()继续发送数据，也就是说客户端和服务端的数据传输过程是可以循环的。
3.3 关闭连接过程
图5-关闭连接过程
如果客户端没有数据要发送的话，就可以调用close()来关闭tcp连接，当对端一关闭，那么服务器调用read()就会返回0（其实read返回0也有可能是读到文件尾，返回EOF了），这样服务器就知道客户端关闭了连接，也会调用close()关闭连接。为什么要关闭两个方向的连接？这其实跟网络通信方式有关，由于tcp协议是采用全双工通信方式的，在关闭连接时，需要把客户端和服务器两个方向的连接都关闭掉。
4. 网络通信方式
图6-通信方式
实际上客户端和服务端进行通信时，系统内核会为客户端和服务端各自维护一个套接字，服务端的套接字sfd是由accept()返回的新的套接字，而客户端的套接字是socket()创建的套接字，每个套接字中都有一个读缓冲区和写缓冲区，分别对应读端和写端，也就是说双方在通信时，同一时刻又能读又能写，这就是双向全双工通信方式，但是这些事情我们并不需要管，因为内核已经帮我们做好了，所以我们在用户层基本感觉不到还有两个缓冲区的。
有同学可能会问，那我们在程序中定义的buf跟套接字中的缓冲区是一样的吗？显然是不一样的，套接字中的缓冲区是内核层面的，而程序中定义的buf是用户层的，注意区分。