应用层简单实现udp / tcp网络通信

秋已杰爱2024-09-07 22:34

一、常见网络接口总结

1、创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)

int socket(int domain, int type, int protocol);

domain：AF_INET：网络通信，AF_LOCAL：本地通信

type：UDP：SOCK_DGRAM，TCP：SOCK_STREAM

protocol：协议编号一开始设0

返回值：文件描述符，Linux下一切皆文件

2、绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)

int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);

socket：创建socket文件描述符的返回值

address：输入型参数，传递一个带有服务器信息（IP, 端口号, AF_INET）的结构体对象，具体详见http://t.csdnimg.cn/aY2O0

address_len：结构体 address 大小

3、开始监听socket (TCP, 服务器)

int listen(int socket, int backlog);

将套接字设为监听状态，随时准备别人链接服务器

backlog：表示大小，设为8

4、接收请求 (TCP, 服务器)

int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);

服务器监听状态之后，接受客户端链接

address：输出型参数，得到客户端的信息

address_len：输出型参数，address大小

返回值：文件描述符

对比 accept 函数返回值和 socket

就好比一家餐馆，socket 是门口拉客的，一般叫 listen_sockfd 监听套接字。返回值是客人进餐馆接待客人的服务员，为用户提供网络IO的服务套接字。所以之后真正开始服务的函数用的是accept函数返回值

5、建立连接 (TCP, 客户端)

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

客户端在有需要时进行链接服务器

address：输入型参数，传入带有服务器信息的结构体，表示我要链接你这个服务器。

address_len：结构体 address 大小

6、把字符串ip转化成网络序列ip

in_addr_t inet_addr(const char *cp);（不安全）
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);（推荐）

dst：直接填 struct sockaddr_in 中的 sin_addr

7、把网络序列ip转化成字符串ip

char *inet_ntoa(struct in_addr in);（不安全）内部只维护一块静态空间存储IP，会导致覆盖问题

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);（推荐）

af：AF_INET：网络通信，AF_LOCAL：本地通信

src：4字节网络序列IP

dst：传入自己定义的缓冲区存放ip

size：缓冲区大小

8、从网络中收数据

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

用于tcp读取数据

flag：设置0，阻塞读取

由于tcp有链接，且sockfd本质是文件描述符，可以用read函数

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

用于udp读取数据

src_addr：输出型参数，客户端信息

addrlen：输出型参数，src_addr大小

9、在网络中发数据

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

用于tcp发数据

flag：设置0，阻塞发送

由于tcp有链接，且sockfd本质是文件描述符，可以用write函数

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

用于udp发数据

dest_addr：输入型参数，服务器信息

addrlen：dest_addr大小

10、库函数做网络字节序和主机字节序的转换接口

二、udp_echo_server

1、服务器初始化服务

cpp 复制代码 
    void InitServer()
    {
        // 1.创建socket文件描述符 一般是3
        _sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        if(_sockfd < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket error\n");
            exit(SOCKET_ERROR); 
        }
        LOG(DEBUG, "socket create success, _sockfd = %d\n", _sockfd);

        // 2.先填充跨网络地址信息
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof local);
        // 通信方式
        local.sin_family = AF_INET;
        // 主机转成网络序列
        local.sin_port = htons(_port);
        // 要4字节ip 要网络序列ip
        // local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_localip.c_str());

        // 服务器端进行任意IP绑定
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;


        // 3.绑定端口号 把地址信息绑定进套接字
        int n = ::bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof local);
        if(n < 0)
        {
            LOG(FATAL, "bind error\n");
            exit(BIND_ERROR); 
        }
        LOG(DEBUG, "bind success\n");
    }

（1）创建sockfd文件描述符

（2）为了绑定函数，初始化 struct socket_in server，并填入服务器信息

注意：服务器一定要绑定 INADDR_ANY 任意IP，这样才能接收到全部IP地址主机的数据

（3）绑定端口号以及一系列服务器信息

2、服务器启动服务

cpp 复制代码 
    // 绑定成功就开始服务
    void Start()
    {
        _isrunning = true;
        char inbuffer[1024];
        // 死循环
        while(_isrunning)
        {
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t len = sizeof peer;
            // 服务器收客户端消息
            ssize_t n = recvfrom(_sockfd, inbuffer, sizeof inbuffer - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);
            if(n > 0)
            {
                // 获取哪一个客户端的端口号和IP地址
                InetAddr addr(peer);

                inbuffer[n] = 0;
                cout << "[" << addr.Ip() << ":" << addr.Port() << "]#" << inbuffer << endl;
                string echo_string = "[udp_server echo] #";
                echo_string += inbuffer;
                // 服务器发给客户端消息
                sendto(_sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size(), 0, (struct sockaddr*)&peer, len);
            }
        }
    }

至少服务器要一直死循环工作

3、客户端初始化

cpp 复制代码 
    // 1.获取服务器IP和端口号
    string server_ip = argv[1];
    uint16_t server_port = stoi(argv[2]);
    // 2.绑定服务器
    // 绑定
    // 客户端端口号一般不让用户自己设定，让客户端OS随机选择端口
    // 客户端一定需要绑定自己的IP地址和端口号，但不是显示绑定
    // 客户端在首次向服务器发送数据时，OS自动给客户端绑定IP和端口号
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof server);
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(server_port);
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());

    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        cerr << "create socket error" << endl;
        exit(1);
    }

（1）获取要连接的服务器信息

（2）初始化 struct socket_in server，并填入服务器信息

（3）创建套接字

（4）重点

客户端不需要显示绑定端口号，也不能自己绑定。但是不代表客户端不要绑定，在第一次客户端给服务器发数据时让客户端的OS随机绑定。

为什么不让用户自己绑定？
服务器可以自己绑定是因为服务器一般只运行一个进程服务，端口号不会冲突，但是客户端不一样，用户的操作系统上会有多个客户端，如果让用户自己设置就很可能端口号冲突，导致用户不能同时启动两个端口号一样的客户端。

4、客户端链接服务器

cpp 复制代码 
    while(1)
    {
        //发送的数据
        string line;
        cout << "Please Enter# : ";
        getline(cin, line);


        int n = sendto(sockfd, line.c_str(), line.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof server);
        if(n > 0)
        {
            struct sockaddr_in temp;
            socklen_t len = sizeof(temp);
            char buffer[1024];
            int m = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof buffer - 1, 0, (struct sockaddr*)&temp, &len);
            if(m > 0)
            {
                buffer[m] = 0;
                cout << buffer << endl;
            }
            else
                break;
        }
        else
            break;
    }

三、tcp_echo_server

1、服务器初始化服务

cpp 复制代码 
    void InitServer()
    {
        // 1.创建socket
        _listensockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if(_listensockfd < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket create error\n");
            exit(SOCKET_ERROR);
        }
        LOG(INFO, "socket create success, sockfd: %d\n", _listensockfd);
    
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof local);

        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(_port);
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;


        // 2.绑定
        if(::bind(_listensockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof local) < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket bind error\n");
            exit(BIND_ERROR);
        }
        LOG(INFO, "bind success\n");

    
        // 3.因为tcp是面向连接的，tcp需要不断能获取链接状态，设置为listen状态
        if(::listen(_listensockfd, gblcklog) < 0)
        {
            LOG(FATAL, "listen error\n");
            exit(LISTEN_ERROR);
        }
        LOG(INFO, "listen success\n");
    }

（1）创建sockfd文件描述符

（2）为了绑定函数，初始化 struct socket_in server，并填入服务器信息

注意：服务器一定要绑定 INADDR_ANY 任意IP，这样才能接收到全部IP地址主机的数据

（3）绑定端口号以及一系列服务器信息

（4）开始监听

2、服务器启动服务

cpp 复制代码 
    // 内部类 为了拿到新线程要用的sockfd和this指针调用Service函数
    class ThreadData
    {
    public:
        int _sockfd;
        TcpServer* _self;
        InetAddr _addr;
    public:
        ThreadData(int sockfd, TcpServer* p, const InetAddr &addr)
            :_sockfd(sockfd)
            ,_self(p)
            ,_addr(addr)
        {}
    };

    void Loop()
    {
        // 推荐做法 忽略子进程退出信息
        // signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
        _isrunning = true;
        struct sockaddr_in client;
        socklen_t len = sizeof client;

        while(_isrunning)
        {
            // 4.获取链接
            int sockfd = accept(_listensockfd, (struct sockaddr*)&client, &len);
            // listensockfd获取失败
            if(sockfd < 0)
            {
                LOG(WARNING, "accept error\n");
                continue;
            }


            // 获取成功
            InetAddr addr(client);
            LOG(INFO, "get a new link, client info: %s\n", addr.AddStr().c_str());

            // 版本一 无法并发访问服务器
            // Service(sockfd, addr);

            // 版本二 多进程版并发访问服务器
            // pid_t id = fork();

            // if(id == 0)
            // {
            //     // 继承下来的父进程的_listensockfd(3)需要在子进程关闭，子进程使用sockfd(4)
            //     ::close(_listensockfd);

            //     // 创建孙子进程后，子进程退出，此时孙子进程成为孤儿进程，执行服务，死活只由OS关心
            //     if(fork() > 0)
            //     {
            //         exit(0);
            //     }

            //     Service(sockfd, addr);
            //     exit(0);
            // }

            // // 同理父进程也要关闭sockfd(4)因为那是属于子进程的，用_listensockfd(3)
            // // 必须要释放子进程的sockfd, 防止文件描述符泄漏 
            // int n = waitpid(id, nullptr, 0);
            // if(n > 0)
            // {
            //     LOG(INFO, "wait chid success\n");
            // }

            // 版本三 多线程版并发访问服务器
            // pthread_t tid;
            // ThreadData* td = new ThreadData(sockfd, this, addr);
            // // 新线程内部分离线程
            // pthread_create(&tid, nullptr, Excute, td);

            // 版本四 线程池版本
            task_t t = bind(&TcpServer::Service, this, sockfd, addr);
            ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Equeue(t);
        }
        _isrunning = false;
    }

    // 类里面方法带有this指针，标为静态
    // 多线程因为共用同一个文件描述符表，所以不能关闭
    static void* Excute(void* args)
    {
        pthread_detach(pthread_self());
        ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
        td->_self->Service(td->_sockfd, td->_addr);
        delete(td);
        return nullptr;
    }


    void Service(int sockfd, InetAddr addr)
    {
        while(1)
        {
            char inbuffer[1024];
            ssize_t n = read(sockfd, inbuffer, sizeof inbuffer - 1);
            if(n > 0)
            {
                inbuffer[n] = 0;
                string echo_string = "[server echo] #";
                echo_string += inbuffer;
                write(sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size());
            }
            else if(n == 0)
            {
                LOG(INFO, "client %s quit\n", addr.AddStr().c_str());
                break;
            }
            else
            {
                LOG(ERROR, "read error: %s\n", addr.AddStr().c_str());
                break;
            }
        }
        ::close(sockfd);
    }

（1）accpet 函数循环获取新连接，获取成功填入客户端信息

（2）服务端提供服务的四种方式

a、直接调用服务函数

不能并发访问服务器，不使用

b、多进程调用服务函数

创建子进程后，父进程关闭子进程套接字 sockfd，子进程关闭父进程套接字 _listen_sockfd，让父子进程不能相互影响。

signal(SIGCHLD, SIG_IGN); 忽略子进程退出，父进程不用阻塞等待。

也可以在子进程中创建孙子进程，子进程退出，孙子进程变成孤儿进程执行服务函数，函数结束不用父进程管，让OS管。还是推荐忽略子进程退出的方式。

c、多线程调用服务函数

为了线程创建函数中的参数线程调用函数不能有this指针，把调用函数设 static

多线程使用同一张文件描述符表，不能关闭任何套接字

要定义内部类，给线程执行函数传入 sockfd, this指针（调用Service函数）, addr

新线程在执行函数中要 pthread_detach(pthread_self()) 进行线程分离

d、线程池调用服务函数

using task_t = function<void()>;

task_t t = bind(&TcpServer::Service, this, sockfd, addr);

ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Equeue(t);

3、客户端初始化

cpp 复制代码 
    if (argc != 3)
    {
        cerr << "Usage: " << argv[0] << " server_ip server_port" << endl;
        exit(0);
    }

    string server_ip = argv[1];
    uint16_t server_port = stoi(argv[2]);

    // 1.创建socket
    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        cerr << "create socket error" << endl;
        exit(1);
    }

    // 注意：客户端不需要显示绑定，但一定要有自己的ip和port，OS会自动绑定sockfd, 用自己的ip和随机端口号

    // 向服务器发送链接(第一次发送链接时，OS自动绑定)
    struct sockaddr_in server;
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(server_port);
    ::inet_pton(AF_INET, server_ip.c_str(), &server.sin_addr);

（1）获取要连接的服务器信息

（2）初始化 struct socket_in server，并填入服务器信息

（3）创建套接字

4、客户端链接服务器

cpp 复制代码 
    int n = ::connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server, sizeof server);
    if(n < 0)
    {
        cerr << "connect error" << endl;
        exit(2);
    }

    while(1)
    {
        string message;
        cout << "Enter #";
        getline(cin, message);
        write(sockfd, message.c_str(), message.size());

        char echo_buffer[1024];
        n = read(sockfd, echo_buffer, sizeof echo_buffer);
        if(n > 0)
        {
            echo_buffer[n] = 0;
            cout << echo_buffer << endl;
        }
        else
        {
            break; 
        }
    }
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