第 4 章 基于 TCP 的服务端/客户端(1)

本章代码,在TCP-IP-NetworkNote中可以找到。

4.1 理解 TCP 和 UDP

根据数据传输方式的不同,基于网络协议的套接字一般分为 TCP 套接字和 UDP 套接字。因为 TCP 套接字是面向连接的,因此又被称为基于流(stream)的套接字。

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」。因此,学习控制方法及范围有助于正确理解 TCP 套接字。

4.1.1 TCP/IP 协议栈

TCP/IP 协议栈共分为 4 层,可以理解为数据收发分成了 4 个层次化过程,通过层次化的方式来解决问题

4.1.2 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、MAN等网络标准。若两台主机通过网络进行数据交换,则需要物理连接,链路层就负责这些标准。

4.1.3 IP 层

转备好物理连接候就要传输数据。为了再复杂网络中传输数据,首先要考虑路径的选择。向目标传输数据需要经过哪条路径?解决此问题的就是IP层,该层使用的协议就是IP。

IP 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。如果传输过程中发生错误,则选择其他路径,但是如果发生数据丢失或错误,则无法解决。换言之,IP协议无法应对数据错误。

4.1.4 TCP/UDP 层

IP 层解决数据传输中的路径选择问题,秩序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,故该层又称为传输层。UDP 比 TCP 简单,现在我们只解释 TCP 。 TCP 可以保证数据的可靠传输,但是它发送数据时以 IP 层为基础(这也是协议栈层次化的原因)

IP 层只关注一个数据包(数据传输基本单位)的传输过程。因此,即使传输多个数据包,每个数据包也是由 IP 层实际传输的,也就是说传输顺序及传输本身是不可靠的。若只利用IP层传输数据,则可能导致后传输的数据包B比先传输的数据包A提早到达。另外,传输的数据包A、B、C中可能只收到A和C,甚至收到的C可能已经损毁 。反之,若添加 TCP 协议则按照如下对话方式进行数据交换。

主机A:正确接受第二个数据包

主机B:恩,知道了

主机A:正确收到第三个数据包

主机B:可我已经发送第四个数据包了啊!哦,您没收到吧,我给你重新发。

这就是 TCP 的作用。如果交换数据的过程中可以确认对方已经收到数据,并重传丢失的数据,那么即便IP层不保证数据传输,这类通信也是可靠的。

4.1.5 应用层

上述内容是套接字通信过程中自动处理的。选择数据传输路径、数据确认过程都被隐藏到套接字内部。向程序员提供的工具就是套接字,只需要利用套接字编出程序即可。编写软件的过程中,需要根据程序的特点来决定服务器和客户端之间的数据传输规则,这便是应用层协议。

4.2 实现基于 TCP 的服务器/客户端

4.2.1 TCP 服务端的默认函数的调用程序

调用 socket 函数创建套接字,声明并初始化地址信息的结构体变量,调用 bind 函数向套接字分配地址。

4.2.2 进入等待连接请求状态

已经调用了 bind 函数给他要借资分配地址,接下来就是要通过调用 listen 函数进入等待链接请求状态。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

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
//成功时返回0,失败时返回-1
//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称为服务端套接字
//backlog: 连接请求等待队列的长度,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            

4.2.3 受理客户端连接请求

调用 listen 函数后,则应该按序受理。受理请求意味着可接受数据的状态。进入这种状态所需的部件是套接字,但是此时使用的不是服务端套接字,此时需要另一个套接字,但是没必要亲自创建,下面的函数将自动创建套接字。

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
/*
成功时返回文件描述符,失败时返回-1
sock: 服务端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
addrlen: 的第二个参数addr结构体的长度,但是存放有长度的变量地址。
*/

sccept 函数受理连接请求队列中待处理的客户端连接请求。函数调用成功后,accept 内部将产生用于数据 I/O 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。

4.2.4 回顾 Hello World 服务端

重新整理一下代码的思路

  1. 服务端实现过程中首先要创建套接字,此时的套接字并非是真正的服务端套接字
  2. 为了完成套接字地址的分配,初始化结构体变量并调用 bind 函数。
  3. 调用 listen 函数进入等待连接请求状态。连接请求状态队列的长度设置为5.此时的套接字才是服务端套接字。
  4. 调用 accept 函数从队头取 1 个连接请求与客户端建立连接,并返回创建的套接字文件描述符。另外,调用 accept 函数时若等待队列为空,则 accept 函数不会返回,直到队列中出现新的客户端连接。
  5. 调用 write 函数向客户端传送数据,调用 close 关闭连接

4.2.5 TCP 客户端的默认函数调用顺序

与服务端相比,区别就在于「请求连接」,他是创建客户端套接字后向服务端发起的连接请求。服务端调用 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。

#include <sys/socket.h>
int connect(int sock, struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);
/*
成功时返回0,失败返回-1
sock:客户端套接字文件描述符
servaddr: 保存目标服务器端地址信息的变量地址值
addrlen: 以字节为单位传递给第二个结构体参数 servaddr 的变量地址长度
*/

客户端调用 connect 函数候,发生以下函数之一才会返回(完成函数调用):

  • 服务端接受连接请求
  • 发生断网等一场状况而中断连接请求

注意:接受连接不代表服务端调用 accept 函数,其实只是服务器端把连接请求信息记录到等待队列。因此 connect 函数返回后并不应该立即进行数据交换。

4.2.6 回顾 Hello World 客户端

重新理解这个程序:

  1. 创建准备连接服务器的套接字,此时创建的是 TCP 套接字
  2. 结构体变量 serv_addr 中初始化IP和端口信息。初始化值为目标服务器端套接字的IP和端口信息。
  3. 调用 connect 函数向服务端发起连接请求
  4. 完成连接后,接收服务端传输的数据
  5. 接收数据后调用 close 函数关闭套接字,结束与服务器端的连接。

4.2.7 基于 TCP 的服务端/客户端函数调用关系

关系如上图所示。

4.3 实现迭代服务端/客户端

编写一个回声(echo)服务器/客户端。顾名思义,服务端将客户端传输的字符串数据原封不动的传回客户端,就像回声一样。在此之前,需要解释一下迭代服务器端。

4.3.1 实现迭代服务器端

在 Hello World 的例子中,等待队列的作用没有太大意义。如果想继续处理好后面的客户端请求应该怎样扩展代码?最简单的方式就是插入循环反复调用 accept 函数,如图:

可以看出,调用 accept 函数后,紧接着调用 I/O 相关的 read write 函数,然后调用 close 函数。这并非针对服务器套接字,而是针对 accept 函数调用时创建的套接字。

4.3.2 迭代回声服务器端/客户端

程序运行的基本方式:

  • 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。
  • 服务器端依次向 5 个客户端提供服务并退出。
  • 客户端接受用户输入的字符串并发送到服务器端。
  • 服务器端将接受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。

以下是服务端与客户端的代码:

编译:

gcc echo_client.c -o eclient
gcc echo_server.c -o eserver

分别运行:

./eserver 9190
./eclient 127.0.0.1 9190

过程和结果:

在一个服务端开启后,用另一个终端窗口开启客户端,然后程序会让你输入字符串,然后客户端输入什么字符串,客户端就会返回什么字符串,按 q 退出。这时服务端的运行并没有结束,服务端一共要处理 5 个客户端的连接,所以另外开多个终端窗口同时开启客户端,服务器按照顺序进行处理。

server:
server.png

client:
client.png

4.3.3 回声客户端存在的问题

以上代码有一个假设「每次调用 read、write函数时都会以字符串为单位执行实际 I/O 操作」

但是「第二章」中说过「TCP 不存在数据边界」,上述客户端是基于 TCP 的,因此多次调用 write 函数传递的字符串有可能一次性传递到服务端。此时客户端有可能从服务端收到多个字符串,这不是我们想要的结果。还需要考虑服务器的如下情况:

「字符串太长,需要分 2 个包发送!」

服务端希望通过调用 1 次 write 函数传输数据,但是如果数据太大,操作系统就有可能把数据分成多个数据包发送到客户端。另外,在此过程中,客户端可能在尚未收到全部数据包时就调用 read 函数。

以上的问题都是源自 TCP 的传输特性,解决方法在第 5 章。

4.4 基于 Windows 的实现

暂略

4.5 习题

答案仅代表本人个人观点,不一定是正确答案。
  1. 请你说明 TCP/IP 的 4 层协议栈,并说明 TCP 和 UDP 套接字经过的层级结构差异。

    答:TCP/IP 的四层协议分为:应用层、TCP/UDP 层、IP层、链路层。差异是一个经过 TCP 层,一个经过 UDP 层。

  2. 请说出 TCP/IP 协议栈中链路层和IP层的作用,并给出二者关系

    答:链路层是物理链接领域标准化的结果,专门定义网络标准。若两台主机通过网络进行数据交换,则首先要做到的就是进行物理链接。IP层:为了在复杂的网络中传输数据,首先需要考虑路径的选择。关系:链路层负责进行一系列物理连接,而IP层负责选择正确可行的物理路径。

  3. 为何需要把 TCP/IP 协议栈分成 4 层(或7层)?开放式回答。

    答:ARPANET 的研制经验表明,对于复杂的计算机网络协议,其结构应该是层次式的。分册的好处:①隔层之间是独立的②灵活性好③结构上可以分隔开④易于实现和维护⑤能促进标准化工作。

  4. 客户端调用 connect 函数向服务器端发送请求。服务器端调用哪个函数后,客户端可以调用 connect 函数?

    答:服务端调用 listen 函数后,客户端可以调用 connect 函数。因为,服务端调用 listen 函数后,服务端套接字才有能力接受请求连接的信号。

  5. 什么时候创建连接请求等待队列?它有何种作用?与 accept 有什么关系?

    答:服务端调用 listen 函数后,accept函数正在处理客户端请求时, 更多的客户端发来了请求连接的数据,此时,就需要创建连接请求等待队列。以便于在accept函数处理完手头的请求之后,按照正确的顺序处理后面正在排队的其他请求。与accept函数的关系: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。

  6. 客户端中为何不需要调用 bind 函数分配地址?如果不调用 bind 函数,那何时、如何向套接字分配IP地址和端口号?

    答:在调用 connect 函数时分配了地址,客户端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。

最后修改:2019 年 01 月 18 日 11 : 29 AM
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