TCP客户服务器编程模型

文章目录

TCP客户服务器编程模型
- 一、前言
- 二、TCP客户服务器模型
- - [2.1 模型](#2.1 模型)
  - [2.2 UDP的服务端和客户端](#2.2 UDP的服务端和客户端)
  - - [2.2.1 特点](#2.2.1 特点)
    - [2.2.2 数据报服务](#2.2.2 数据报服务)
  - [2.3 TCP客户、服务器模型](#2.3 TCP客户、服务器模型)
  - - [2.3.1 特点](#2.3.1 特点)
    - [2.3.2 数据流服务](#2.3.2 数据流服务)
    - [2.3.3 具体细节解析](#2.3.3 具体细节解析)
    - [2.3.4 代码分析](#2.3.4 代码分析)
- 三、小结

一、前言

今天来讲关于传输层一个重要的编程模型------TCP客户服务器编程模型。它和先前的UDP有很多相似与不同之处呢~

二、TCP客户服务器模型

2.1 模型

应用程序往往包含一个服务端和很多很多客户端，客户端和服务端进行连接，进行数据的发送和响应。

2.2 UDP的服务端和客户端

2.2.1 特点

不可靠传输，UDP服务端只维护了端口和应用程序进程号之间的关系

UDP

A、B之间只有一个buffer，B向A发送2个包，直接丢到buffer里面，C也向A发数据包，也丢到buffer里面，但是顺序保证不了，可能B的第一个包到了，第2个还没到，但是C的包先到了，A来取数据的时候，发现了B1、C1、B2。处理数据就不能保证有序了。并且在传输的过程中，丢包就丢包了，服务器根本不care。

2.2.2 数据报服务

这里的buffer本身也是queue，但是这里建立的连接是服务端能跟所有的客户端都能建立 ，而TCP 是保证服务器必须跟某一个建立独立的唯一的管道。

2.3 TCP客户、服务器模型

2.3.1 特点

在端口和应用程序进程号之间关系基础上，又实现了协议头内保证可靠传输

什么是可靠传输呢 ？

就是要通信两端实现发送确认机制

UDP能不能实现可靠呢？

当UDP服务端开放了一个端口，UDP的客户端有很多很多，且都可以往服务端这个端口发信息。

需不需要每个客户端和服务端要分别建立确认机制呢？UDP的协议头没有包含任何字段的。UDP客户服务模型是数据报服务，也就是说在传输层上没有办法实现数据的确认机制，只能收到一个个数据包，但是不能回。

2.3.2 数据流服务

TCP是数据流服务 ，这是借助了管道思想 （Linux中也有这种进程和进程之间的通信方式），也是数据结构中的队列的一个典型应用。A发送的数据，最终不是发给B，而是发给B的内核（传输层）里的一个队列的数据结构。

队列具有先进先出的特点，本身就是个buffer，不能随机访问。

数据流服务就是在A和B之间建立一个队列，不是在一个机器上建立，而是借助传输层的通信协议，A和B利用一根管道，保证数据无丢失的传输。B的缓存区将A的数据逐个放到队列里，B有空的时候再接收。

这个结构具有2种行为：缓存行为、顺序行为（也是队列天然的特点）。

到这里，你应该能够感受到TCP需要建立连接（发送确认），UDP不需要建立连接，因为它没有发送确认的缓存。

2.3.3 具体细节解析

从上图我们可以看出很多重要的信息，你会发现每一条连接都会有一个发送队列 和一个接收队列。

UDP的Foreign Address是不需要知道的，因为这之间不需要建立连接，只需要往里面丢数据就可以了。而TCP中会有状态（state）的概念。这个状态到底是怎么一回事呢？

服务器打开了6666的端口，这个"门"只能打开一次。但是在TCP中就会出现一个问题：到底是什么"魔法"，使得A和B与C都建立了连接，B和C为什么都能和A在同一端口进行传输？

从图中，我们可以看见3个22，难道我们开了3个端口号吗？

当然不是！

TCP中，每一条TCP的连接都有一个状态（state），状态决定了每一个socket对象的内部行为。

监听的链接（state = LISTEN）
传统的链接：传统的socket（抽象），把内核中复杂的一个东西抽象成一个整数来描述（state = ESTABLISHED）

UDP：内核开放的一个数据结构，这个数据结构里面包括很多信息，比如：我是谁。。。你可以向我发消息

用3这个文件描述符来指向这个数据结构（以后应用程序访问3就能访问这个数据结构）

文件描述符只是一个抽象，它实际指向里面很多具体的信息。网络上的连接：src: ip: port; dest: ip: port

服务器的回应的数据包是由传输层内核的代码，直接就发送完了（TCP自动做的）。这个发送是基于知道"我是谁，你是谁"（src，dest），才能建立关系，发送消息。

在TCP中，仅用一个buffer就不太可能实现了。

如何维护好这种传输呢？

为了能实现每一个客户端都独享这个发送确认机制，产生了TCP的分发机制。TCP会有一个监听状态（类似于公司的前台），前台没有任何业务能力（不能处理普通数据，普通数据要发送确认机制），就只会处理状态数据，因此会有监听状态这个描述符。

A发起链接，前台不会管这个服务，只会申请出一个客户经理，客户经理专门关心A和B的关系，客户经理负责建立连接。

前台针对每个链接分出不同的独立的客户经理，这些客户经理都是共享src的**，这就是为什么src的端口号是一样的，但是dest是不一样的**，这就形成了不同的链路，每条链路都对应一个数据结构来实现发送确认机制，都需要文件描述符实现指向。

注意：上述的客户经理和前台等都是指服务端的指代。

2.3.4 代码分析

完整代码：

c 复制代码

#includestdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<netinet/ip.h>
#include<sys/types.h>
#include<arpa/inet.h>

// TCP服务器
int main()
{
	struct sockaddr_in self;			// 结构体里包含了IP和端口信息
	int ret;
	// 获取一张信封，传输层采用了TCP技术
    int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(tcp_socket == -1)
    {
    	perror("socket");
    	return -1;
	}
	// 将这个信封绑定系统的一个端口号，其他客户端就能通过这个端口号向你发出信息
    // 服务器就可以通过这个端口号来获取信息(而是客户端连接的状态)了
    memset(&self, 0, sizeof(self));
    self.sin_family = AF_INET;
    self.sin_port = htons(6666);
    self.sin_addr.s_addr = inet_addr("xxx.xxx.xxx.xxx");	// 添自己的主机号
    ret = bind(tcp_socket, (const struct sockaddr*)&self, sizeof(self));
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind");
        return -1;
    }
    // 默认socket都是具有双向能力（socket既能发送也能接收），TCP需要一个被动监听的描述符来实现新链接分发（3次握手）
    // 默认的socket的状态，切换成被动监听的状态
    listen(tcp_socket, 5);			// 代表TCP服务器最大有5条链接（建立3次握手的链接）
    
    printf("listening...\n");
//  getchar();
    
    char buf[128];
    size_t len;
	// 系统提了一个叫做accept函数，来监听描述符的消息，3次握手已经成功的消息【新的客户经理】）
    while(1)	// 服务器肯定不能死机
    {
    	// 应用层需要循环等待新链接
    	int new_fd = accept(tcp_socket, NULL, NULL);
    	if(new_fd < 0)
    	{
    		perror("accept");
    		break;
		}
		printf("have a new connection!\n");
		// 接收客户端发来的消息
		recv(new_fd, buf, sizeof(buf), 0);
		len = recv(new_fd, buf, sizeof(buf), 0);
		if(len <= 0)
		{
			perror("recv");
			break;
		}
		buf[len] = 0;	// 结束标志
		printf("client: %s\n", buf);	// 必须要有\n，如果没有，其实执行了，但是在缓存中
		close(new_fd);
	}
	close(tcp_socket);
    return 0;
}

可自行利用上述代码，在不同的地方加打印信息以及getchar();进行调试，以便更深入的理解TCP的客户服务模型。

Q&A

如果出现没有显示端口的情况，可能是防火墙将端口给阻断了，不能打开端口。可以切换为root用户，修改一下防火墙的配置。
Linux 复制代码
// 配置指令
firewall-cmd --list-all
firewall-cmd --add-port=6666/tcp --permanent
firewall-cmd --reload

c 复制代码

listen(tcp_socket, 5);			// 代表TCP服务器最大有5条链接（建立3次握手的链接）

A向前台发送数据，前台要确定A没问题才会分离出客户经理来，在客户经理来之前，前台要和B保持沟通，确定A是否是想要和前台建立连接。这个过程就是3次握手。

TCP为了能跟不同的人进行3次握手，需要一个缓存。在代码中就是指5条

B向前台发送请求连接，前台收到并回一个信号，表明自己可以为它分配一个客户经理，如果这个回的包没有收到，B不知道能不能连，会有一个超时重传 ，经过一段时间之后，前台可以再次发送。为什么能这样呢？说明会有一个缓存，可以使它再次发一次。但是缓存是有限的。（否则会导致服务端有大量资源占据但没有被利用）

重传机制，这也是可靠传输的生动体现~

这就表示前台已经申请出来了。

c 复制代码

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<netinet/ip.h>
#include<sys/types.h>
#include<arpa/inet.h>

// TCP服务器
int main()
{
	struct sockaddr_in self;			// 结构体里包含了IP和端口信息
	int ret;
	// 获取一张信封，传输层采用了TCP技术
    int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(tcp_socket == -1)
    {
    	perror("socket");
    	return -1;
	}
	// 将这个信封绑定系统的一个端口号，其他客户端就能通过这个端口号向你发出信息
    // 服务器就可以通过这个端口号来获取信息(而是客户端连接的状态)了
    memset(&self, 0, sizeof(self));
    self.sin_family = AF_INET;
    self.sin_port = htons(6666);
    self.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.233.129");
    ret = bind(tcp_socket, (const struct sockaddr*)&self, sizeof(self));
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind");
        return -1;
    }
    // 默认socket都是具有双向能力，TCP需要一个被动监听的描述符来实现新链接分发（3次握手）
    // 默认的socket的状态，切换成被动监听的状态
    listen(tcp_socket, 5);			// 代表TCP服务器最大有5条链接（建立3次握手的链接）
    
    printf("listening...\n");
	getchar();
    return 0;
}