lv7 嵌入式开发-网络编程开发 07 TCP服务器实现

4IOT2023-10-05 7:06

目录

[1 函数介绍](#1 函数介绍)

[1.1 socket函数 与 通信域](#1.1 socket函数 与 通信域)

[1.2 bind函数 与 通信结构体](#1.2 bind函数 与 通信结构体)

[1.3 listen函数 与 accept函数](#1.3 listen函数 与 accept函数)

[2 TCP服务端代码实现](#2 TCP服务端代码实现)

[3 TCP客户端代码实现](#3 TCP客户端代码实现)

[4 代码优化](#4 代码优化)

[5 练习](#5 练习)

1 函数介绍

其中read、write、close在IO中已经介绍过，只需了解socket、bind、listen、accept等

1.1 socket函数 与 通信域

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

参数：

  • domain：指定套接字的协议域（protocol family），可以是 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）等。
  • type：指定套接字的类型，可以是 SOCK_STREAM（流套接字，用于可靠的、面向连接的通信）或 SOCK_DGRAM（数据报套接字，用于无连接的通信）等。
  • protocol：指定使用的协议，可以是 IPPROTO_TCP（TCP）或 IPPROTO_UDP（UDP）等。所以无需要指定协议，设为0即可

返回值：

  • 成功创建套接字时，返回一个非负整数，代表新创建的套接字描述符。
  • 创建套接字失败时，返回 -1，并设置 errno 来表示具体的错误原因。

示例：

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //最后一个参数也可以是0
    if (sockfd == -1) {
        // 处理创建套接字失败的情况
        return -1;
    }
    // 套接字创建成功，可以进行后续操作

    return 0;
}

1.2 bind函数 与 通信结构体

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

参数解释：

  • sockfd：要进行绑定的套接字描述符。
  • addr：指向sockaddr结构体的指针，其中包含了要绑定的地址信息。
  • addrlen：addr指向的结构体的大小。

返回值：

  • 成功时，返回0。
  • 失败时，返回-1，并且在错误码中设置相应的错误标志，可以通过errno全局变量获取具体错误信息。

ipv4结构体

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* 地址族: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* 网络字节序的端口号 */
    struct in_addr sin_addr;   /*IP地址结构体 */
};

/* IP地址结构体 */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* 网络字节序的IP地址 */
};

/*通用地址族结构体*/
struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;
    char sa_data[14];
}

注意事项：

  • 调用bind()函数之前，需要先创建一个套接字，并确保该套接字是未绑定的。
  • bind()函数通常在服务器端使用，用于将服务器的套接字与指定的本地地址绑定，从而监听并接收该地址发来的连接请求。
  • 在调用bind()函数时，要根据实际情况提供正确的地址信息，如IP地址和端口号等。
  • 在IPv4中，地址信息存储在sockaddr_in结构体中；而在IPv6中，地址信息存储在sockaddr_in6结构体中。

示例：强制转换

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;

    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 设置服务器地址信息
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定套接字和地址
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        return 1;
    }

    // 其他操作...

    return 0;
}

1.3 listen函数 与 accept函数

/*监听套接字*/
int listen(int sockfd, int backlog);

参数：

  • sockfd：要监听的套接字描述符。
  • backlog：定义允许排队等待的连接请求的最大数量。

返回值：

  • 成功调用 listen() 函数时，返回 0 表示成功。
  • 调用 listen() 函数失败时，返回 -1 并设置 errno 来表示具体的错误原因。

函数功能： listen() 函数被用于 TCP 服务器端，用于将指定的套接字标记为被动套接字（passive socket），开始监听传入的连接请求。在调用 listen() 之前，服务器需要使用 socket() 函数创建一个套接字，并使用 bind() 函数将套接字与特定的地址和端口绑定。

一旦套接字被标记为监听状态，它就可以开始接受传入的连接请求。这些连接请求会被放置在一个连接请求队列中，等待服务器进程使用 accept() 函数来接受这些请求并建立连接。

注意事项：

  • backlog 参数指定了连接请求队列的最大长度。如果队列已满，则新的连接请求将被拒绝。实际允许的队列长度可能会受到系统限制。
  • 在调用 listen() 之后，通常需要调用 accept() 函数来接受连接请求并建立连接。

示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (sockfd == -1) {
        // 处理创建套接字失败的情况
        return -1;
    }
    // 套接字创建成功，可以进行后续操作

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        // 处理绑定地址和端口失败的情况
        return -1;
    }

    if (listen(sockfd, 10) == -1) {
        // 处理监听套接字失败的情况
        return -1;
    }
    // 套接字处于监听状态，可以接受连接请求并建立连接

    return 0;
}


/*处理客户端发起的连接，生成新的套接字*/
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
-sockfd: 函数socket生成的套接字
-addr:客户端的地址族信息
-addrlen:地址族结构体的长度

参数：

  • sockfd：监听套接字描述符，即之前调用 listen() 函数返回的套接字描述符。
  • addr：指向用于存储客户端地址信息的结构体 sockaddr 的指针，可以为 NULL。
  • addrlen：指向存储客户端地址长度的变量的指针，如果 addr 不为 NULL ，则需要将 addrlen 设置为 sizeof(struct sockaddr)。

返回值：

  • 成功调用 accept() 函数时，返回一个新的套接字描述符，用于处理与客户端的连接。
  • 调用 accept() 函数失败时，返回 -1 并设置 errno 来表示具体的错误原因。

函数功能： accept() 函数用于监听套接字上接受传入的连接请求，并创建一个新的套接字来处理与客户端的连接。该新的套接字用于与客户端进行通信。在调用 accept() 函数之前，需要先使用 socket()、bind() 和 listen() 函数来准备监听套接字。

当有一个连接请求到达监听套接字时，accept() 函数会从连接请求队列中取出一个请求，创建一个新的套接字来处理该连接，并返回新创建的套接字描述符。可以通过新创建的套接字描述符进行与客户端的通信。

如果传入的 addr 不为 NULL，则 accept() 函数会将客户端的地址信息存储在 addr 指向的结构体中。同时，addrlen 也需要传入一个指向存储客户端地址长度的变量的指针。

注意事项：

  • accept() 函数是一个阻塞调用，当没有连接请求时，它会一直等待，直到有连接请求到达或出现错误才返回。
  • 通常在多线程或多进程环境中使用 accept() 函数来实现并发处理多个连接请求的功能。

示例：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (sockfd == -1) {
        // 处理创建套接字失败的情况
        return -1;
    }
    // 套接字创建成功，可以进行后续操作

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        // 处理绑定地址和端口失败的情况
        return -1;
    }

    if (listen(sockfd, 10) == -1) {
        // 处理监听套接字失败的情况
        return -1;
    }
    // 套接字处于监听状态，可以接受连接请求并建立连接

    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_addrlen = sizeof(client_addr);
    int client_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addrlen);
    if (client_sockfd == -1) {
        // 处理接受连接请求失败的情况
        return -1;
    }
    // 成功接受连接请求，可以使用 client_sockfd 进行与客户端的通信

    return 0;
}

2 TCP服务端代码实现

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 5001
#define BACKLOG 5

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, newfd;
	char buf[BUFSIZ] = {}; //BUFSIZ 8142
	struct sockaddr_in addr;
	/*创建套接字*/
	fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(fd < 0){
		perror("socket");
		exit(0);
	}
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(PORT);
	addr.sin_addr.s_addr = 0;
	/*绑定通信结构体*/
	if(bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr) ) == -1){
		perror("bind");
		exit(0);
	}
	/*设置套接字为监听模式*/
	if(listen(fd, BACKLOG) == -1){
		perror("listen");
		exit(0);
	}
	/*接受客户端的连接请求，生成新的用于和客户端通信的套接字*/
	newfd = accept(fd, NULL, NULL);
	if(newfd < 0){
		perror("accept");
		exit(0);
	}
	printf("BUFSIZ = %d\n", BUFSIZ);
	read(newfd, buf, BUFSIZ);
	printf("buf = %s\n", buf);
	close(fd);
	return 0;
}

3 TCP客户端代码实现

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 5001
#define BACKLOG 5
#define STR "Hello World!"

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	struct sockaddr_in addr;
	/*创建套接字*/
	fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(fd < 0){
		perror("socket");
		exit(0);
	}
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(PORT);
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
	/*向服务端发起连接请求*/
	if(connect(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr) ) == -1){
		perror("connect");
		exit(0);
	}
	write(fd, STR, sizeof(STR) );
	printf("STR = %s\n", STR);
	close(fd);
	return 0;
}

4 代码优化

服务端

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define BACKLOG 5

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, newfd, ret;
	char buf[BUFSIZ] = {}; //BUFSIZ 8142
	struct sockaddr_in addr;
	
	if(argc < 3){
		fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);
		exit(0);
	}

	/*创建套接字*/
	fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(fd < 0){
		perror("socket");
		exit(0);
	}
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );
	if ( inet_aton(argv[1], &addr.sin_addr) == 0) {
		fprintf(stderr, "Invalid address\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	/*绑定通信结构体*/
	if(bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr) ) == -1){
		perror("bind");
		exit(0);
	}
	/*设置套接字为监听模式*/
	if(listen(fd, BACKLOG) == -1){
		perror("listen");
		exit(0);
	}
	/*接受客户端的连接请求，生成新的用于和客户端通信的套接字*/
	newfd = accept(fd, NULL, NULL);
	if(newfd < 0){
		perror("accept");
		exit(0);
	}
	while(1){
		memset(buf, 0, BUFSIZ);
		ret = read(newfd, buf, BUFSIZ);
		if(ret < 0)
		{
			perror("read");
			exit(0);
		}
		else if(ret == 0)
			break;
		else
			printf("buf = %s\n", buf);
	}
	close(newfd);
	close(fd);
	return 0;
}

客户端

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define BACKLOG 5

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	struct sockaddr_in addr;
	char buf[BUFSIZ] = {};

	if(argc < 3){
		fprintf(stderr, "%s<addr><port>\n", argv[0]);
		exit(0);
	}

	/*创建套接字*/
	fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if(fd < 0){
		perror("socket");
		exit(0);
	}

	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) );
	if ( inet_aton(argv[1], &addr.sin_addr) == 0) {
		fprintf(stderr, "Invalid address\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	/*向服务端发起连接请求*/
	if(connect(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr) ) == -1){
		perror("connect");
		exit(0);
	}
	while(1){
		printf("Input->");
		fgets(buf, BUFSIZ, stdin);
		write(fd, buf, strlen(buf) );
	}
	close(fd);
	return 0;
}

5 练习

实现TCP通信代码，并使用Makefile进行编译。提交代码和完成通信的截图

client

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define CLIENT_MAX_NUM 5

int main(int argc, char * argv[])
{
	int clientfd;
	struct sockaddr_in server_addr;
	char buf[BUFSIZ];
	int ret;

	if( argc < 3)
	{
		printf("%s <ip> <port>\n",argv[0]);
		return 0;
	}

	clientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
	if(clientfd == -1)
	{
		perror("socket");
		return 0;
	}

	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) ) ;
	if( inet_aton(argv[1], &server_addr.sin_addr) == 0)
	{
		printf("Invalid address:%s\n",argv[1]);
		return 0;
	}

	if(connect(clientfd, (struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr)) == -1)
	{
		perror("connect");
		return 0;
	}


	while(1)
	{
		printf(">");
		fgets(buf, BUFSIZ, stdin);
		write(clientfd, buf, strlen(buf));
	}
	close(clientfd);
	return 0;
}

server

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

#define CLIENT_MAX_NUM 5

int main(int argc, char * argv[])
{
	int sockfd, clientfd;
	struct sockaddr_in server_addr;
	char buf[BUFSIZ];
	int ret;
	
	if( argc < 3)
	{
		printf("%s <ip> <port>\n",argv[0]);
		return 0;
	}

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);
	if(sockfd == -1)
	{
		perror("socket");
		return 0;
	}

	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons( atoi(argv[2]) ) ;
	if( inet_aton(argv[1], &server_addr.sin_addr) == 0)
	{
		printf("Invalid address:%s\n",argv[1]);
		return 0;
	}

	if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr)) == -1)
	{
		perror("bind");
		return 0;
	}

	if(listen(sockfd, CLIENT_MAX_NUM) == -1)
	{
		perror("listen");
		return 0;
	}

	clientfd = accept(sockfd, NULL, NULL); 
	if( clientfd == -1)
	{
		perror("accept");
		return 0;
	}

	while(1)
	{
		memset(buf, 0, BUFSIZ);
		ret = read(clientfd, buf, BUFSIZ);
		if(ret < 0)
		{
			perror("read");
			return 0;
		}
		else if( ret == 0 )
		{
			break;
		}
		else
		{
			printf("buf = %s\n", buf);
		}	
	}
	close(clientfd);
	close(sockfd);
	return 0;
}

makefile

cpp 复制代码 
CC=gcc
CFLAGS=-Wall
all:tcp_client tcp_server

clean:
	rm tcp_server tcp_client
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