网编(3)：基于TCP的服务器端/客户端

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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” 。

TCP套接字是面向连接的，因此又称基于流( stream) 的套接字。

链路层

链路层是物理链接领域标准化的结果，也是最基本的领域，专门定义LAN 、WAN 、M心J等网络标准。若两台主机通过网络进行数据交换，则需要图所示的物理连接， 链路层就负责这些标准。

IP 层
准备好物理连接后就要传输数据。为了在复杂的网络中传输数据，首先需要考虑路径的选择。向目标传输数据需要经过哪条路径？解决此问题就是IP层，该层使用的协议就是IP 。
IP本身是面向消息的、不可靠的协议。每次传输数据时会帮我们选择路径，但并不一致。如果传输中发生路径错误， 则选择其他路径；但如果发生数据丢失或错误，则无法解决。换言之，lP协议无法应对数据错误。

TCP/UDP 层

IP层解决数据传输中的路径选择问题，只需照此路径传输数据即可。TCP和UDP层以IP层提供的路径信息为基础完成实际的数据传输，故该层又称传输层(Transport )。

应用层

总之，向各位提供的工具就是套接字，大家只需利用套接字编出程序即可。编写软件的过程中， 需要根据程序特点决定服务器端和客户端之间的数据传输规则（ 规定），这便是应用层协议。网络编程的大部分内容就是设计并实现应用层协议。

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TCP 服务器端的默认函数调用顺序

进入等待连接请求状态

当调用了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 sock, int backlog);
sock //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成为服务器端套接字（监听套接字）。
backlog //连接请求等待队列( Queue ) 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。

受理客户端连接请求

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一当然是套接字！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。下面这个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 sock, struct sockaddr * addr, socklen_t * addrlen);


sock//服务器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add氓；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/0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。

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TCP 客服端的默认函数调用顺序

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？通过调用如下函数完成。

#include <sys/socket.h>
int connect(int sock, struct sockaddr * servaddr, socklen_t addrlen);

sock     //客户端套接字文件描述符。
servadd  //保存目标服务器端地址信息的变费地址值。
addrlen  //以字节为单位传递已传递给第二个结构体参数servad由的地址变量长度。

客户端套接字的IP地址是啥?

实现服务器端必经过程之一就是给套接宇分配IP和端口号。但客户端实现过程中并未出现套接宇地址分配，而是创建套接字后立即调用connect 函数。难道客户端套接宇无需分配1P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，那客户端套接宇何时、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。

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实现迭代服务器端／客户端

调用accept函数后，紧接着调用I/0相关的read 、write函数，然后调用close函数。这并非针对服务器端套接字，而是针对accept函数调用时创建的套接字。
调用close函数就意味着结束了针对某一客户端的服务。此时如果还想服务于其他客户端，就要重新调用accept函数。

相当于银行窗口，同一时刻确实只能服务于一个客户端。当然可以用进程和线程编写同时服务多个客户端的服务器端的程序。

服务器实例代码：————————————————————

• 服务器端在同一时刻只与一个客户端相连，并提供回声服务。
• 服务器端一直客户端提供服务。
• 客户端接收用户输入的字符串并发送到服务器端。
• 服务器端将接收的字符串数据传回客户端， 即“回声” 。
• 服务器端与客户端之间的字符串回声一直执行到客户端输入Q为止。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char *message);
int main(int argc, char *argv[])
{
	int serv_sock;
	int clnt_sock;
	int str_len;
	
	struct sockaddr_in serv_addr;
	struct sockaddr_in clnt_addr;
	socklen_t clnt_addr_size;

	char message[20]="Hello World!";

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

	serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(serv_sock == -1)
		error_handling("socket() error" ) ;

	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");

	if(listen(serv_sock, 5)== -1)
		error_handling("listen() error");
	clnt_addr_size=sizeof(clnt_addr);
	while(1)
	{
		clnt_sock=accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);
		if(clnt_sock==-1)
			error_handling("accept () error");

		while((str_len=read(clnt_sock, message, BUF_SIZE))!=0)
		{
			write(clnt_sock, message, sizeof(message));
			memset(message, 0, sizeof(message));
		}
			
		close(clnt_sock);
	}

	close(serv_sock);
	return 0;
}

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

客户端实例代码：————————————————————

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
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);
	}

	sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(sock == -1)
	error_handling("socket() error");

	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]));

	if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr))==-1)
		error_handling("connect() error I");

	while(1)
	{
		fputs("Input message(Q to quit) : ", stdout);
		fgets(message, BUF_SIZE, stdin);

		if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
			break;

		write(sock, message, strlen(message));
		memset(message, 0, sizeof(message));
		
		str_len=read(sock, message, BUF_SIZE-1);
		message[str_len]='\0';
		printf("Message from server: %s", message);
		
		memset(message, 0, sizeof(message));
	}

	close(sock);
	return 0;
}

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