TCP 通信

这里的应用编写属于应用层的实现，而SOCKET的实现属于传输层

TCP鸟瞰图

socket                socket
   |                    |
   |                   bind
   |                    |
   |                  lisent
connect-----------------|
   |                  accept
   |                    |
 send                 recv
   |                    |
 close                close

网络也是一种文件

socket文件对象实在内核态空间创建的，有两个缓冲区，分别是snd和rcv缓冲区，为了实现全双工通信，需要两个管道

各个api的作用

socket

创建一个套接字设备（规定地址类型例如ipv4、TCP流式传输和UDP数据报通信、默认socket协议）
bind

给套接字赋予一个本地地址，在TCP传输中，服务端必须要bind一个IP地址，因为客户端总是需要向服务端发送请求的，如果都绑定了地址，在断连后重连会浪费更多的时间，所以在tcp协议中，并不建议两端都bind，不bind本地ip地址会报错，bind 0.0.0.0 相当于绑定外网地址
- bind的流程
  1. 先创建struct sockaddr_in
  2. 设置好地址内容参数
  3. 传递参数
connect

建立连接，要请求一个服务端的ip和端口，调用该api时，传输层会进行三次握手协议
listen

服务端开启监听，可以接受客户端的连接，执行listen之后，会复制一个socket文件对象，将snd和rcv缓冲区换成半连接队列和全连接队列，也就是说listen之后，socket将不再能够发送和接受数据，只能新建连接，处理三次握手相关的内容；所以我们把listen之后的socket称作服务端socket
accept

用于从服务端socket中的全连接队列中取出内容，构建一个新的文件对象（Net Socket），netsocket才是真正用于通信的

send

int send(int s, const void *msg, size_t len, int flags);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

send是一个特殊的write函数

recv
```
ssize_t recv(int sockfd, void buf[.len], size_t len,int flags);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
```
recv是一个特殊的read函数

send/recv只是把数据在buf和select之间来回拷贝，真正的发送和接收行为是内核协议栈来完成的，如果服务端调用recv函数时，接收缓冲区是空的，则会阻塞；send/recv不是简单的收发关系，不是一一对应的，TCP数据是没有边界的，应用层的表现和两根管道是一模一样的
- rcv缓冲区为空时，recv会阻塞
- rcv非空时，recv的返回值在（0，count）
  
  如果recv的ret为0，表示对面close了

即时通信系统

服务端：

int main(int argc, char* argv[])
{
    // ./2_aqiang 192.168.68.128 1234
    //socket 是两端通信的端点
    ARGS_CHECK(argc, 3);
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    ERROR_CHECK(ret, -1, "connect");
    fd_set rdset;
    char buf[4096];
    while(1){
         FD_ZERO(&rdset);
         FD_SET(STDIN_FILENO, &rdset);
         FD_SET(sockfd, &rdset);
         select(sockfd+1, &rdset, NULL, NULL, NULL);
         if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &rdset)){
             //memset(buf, 0, sizeof(buf));
             bzero(buf, sizeof(buf));
             ssize_t sret = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
             //send(sockfd, buf, strlen(buf), 0);
             send(sockfd, buf, sret, 0);
         }                  
         if(FD_ISSET(sockfd, &rdset)){
             bzero(buf, sizeof(buf));
             ssize_t sret = recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);                                 
             printf("buf = %s\n", buf);
         }                       
    }                           
    return 0;
}

客户端

int main(int argc, char* argv[])
{
    // ./2_aqiang 192.168.68.128 1234
    //socket 是两端通信的端点
    ARGS_CHECK(argc, 3);
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    ERROR_CHECK(ret, -1, "connect");
    fd_set rdset;
    char buf[4096];
    while(1){
         FD_ZERO(&rdset);
         FD_SET(STDIN_FILENO, &rdset);
         FD_SET(sockfd, &rdset);
         select(sockfd+1, &rdset, NULL, NULL, NULL);
         if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &rdset)){
             //memset(buf, 0, sizeof(buf));
             bzero(buf, sizeof(buf));
             ssize_t sret = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
             //send(sockfd, buf, strlen(buf), 0);
             send(sockfd, buf, sret, 0);
         }                  
         if(FD_ISSET(sockfd, &rdset)){
             bzero(buf, sizeof(buf));
             ssize_t sret = recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);                                 
             printf("buf = %s\n", buf);
         }                       
    }                           

    return 0;
}

聊天室

server

typedef struct conn_s{
    int netfd;
    int is_alive;
} conn_t;

int main(int argc, char* argv[])
{
    // ./2_server 192.168.68.128 1234
    ARGS_CHECK(argc, 3);
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr; //服务端地址的结构体初始化
    addr.sin_family = AF_INET;
    //向ip结构体中传入ip地址和端口号参数
    addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    ERROR_CHECK(ret, -1, "bind");
    listen(sockfd, 10);   //DDOS攻击的点
    
    conn_t clientArr[10];  //保存所有炼乳客户端的信息
    int curidx = 0; //保存下一个炼乳客户端的下标
    
    char buf[4096];
    fd_set rdset;
    fd_set monitorset;
    FD_ZERO(&monitorset);
    FD_SET(sockfd, &monitorset);
    while(1){
        memcpy(&rdset, &monitorset, sizeof(fd_set));
        select(100, &rdset, NULL, NULL, NULL);
        if(FD_ISSET(sockfd, &rdset)){
            struct sockaddr_in clientAddr;
            socklen_t clientAddrSize = sizeof(clientAddr); //该变量必须初始化
            int netfd =  accept(sockfd,(struct sockaddr *)&clientAddr, &clientAddrSize);
            printf("netfd = %d\n", netfd);
            printf("client ip = %s, port = %d\n",
               inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));
            clientArr[curidx].netfd = netfd;
            clientArr[curidx].is_alive = 1; //1 表示存货 0表示已经断开
            FD_SET(netfd, &monitorset);
            ++curidx;
        }
        for(int i = 0; i < curidx; ++i){
            if(clientArr[i].is_alive && FD_ISSET(clientArr[i].netfd, &rdset)){
                //读取该客户端发送的消息并且转发给其它所有的客户端
                bzero(buf, sizeof(buf));
                ssize_t sret = recv(clientArr[i].netfd, buf, sizeof(buf), 0);
                if(sret == 0){
                    clientArr[i].isalive = 0; //i号客户端已经终止
                    FD_CLR(clientArr[i].netfd, &monitorset);
                    close(clientArr[i].netfd);
                }
                //转发给其他所有的客户端
                for(int j = 0; j < curidx; ++j){
                    if(j == i || clientArr[j].is_alive == 0){
                        continue; //发送的目标是自己或者发送的目标已经关闭，就继续
                    }
                    //相当于做一个广播的操作
                   send(clientArr[j].netfd, buf, strlen(buf), 0);;
                }
            }
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

client

int main(int argc, char* argv[])
{
    // ./2_aqiang 192.168.68.128 1234
    //socket 是两端通信的端点
    ARGS_CHECK(argc, 3);
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    ERROR_CHECK(ret, -1, "connect");
    fd_set rdset;
    char buf[4096];
    while(1){
         FD_ZERO(&rdset);
         FD_SET(STDIN_FILENO, &rdset);
         FD_SET(sockfd, &rdset);
         select(sockfd+1, &rdset, NULL, NULL, NULL);
         if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &rdset)){
             //memset(buf, 0, sizeof(buf));
             bzero(buf, sizeof(buf));
             ssize_t sret = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
             //send(sockfd, buf, strlen(buf), 0);
             send(sockfd, buf, sret, 0);
         }                  
         if(FD_ISSET(sockfd, &rdset)){
             bzero(buf, sizeof(buf));
             ssize_t sret = recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);                                 
             printf("buf = %s\n", buf);
         }                       
    }                           

    return 0;
}

杂项

端口号的选择：

0-65535之间进行选择，0-1000的端口属于悉知端口号，尽量不要选择

UDP通信

UDP鸟瞰图

   客户端           服务端
   socket          socket
      |              |
      |             bind
      |              |
    sendto -------> recvfrom
      |              |
   recvfrom <------ sendto
      |
     close

问题？

TCP和UDP能否bind同一个端口?

可以bind，tcp和udp走的信道不同，不会产生干扰，因此可以bind同一个端口

UDP 需要listen 和 connect 吗？

不需要，UDP是无连接的

API功能概览

socket函数
```
int socket(int domain, int type, int protocal)
```
- domain 指定通讯选用的协议，常用的有IPv4网络协议，AF_INET
- type 用于指定通讯的语义，SOCK_STREAM 提供可靠有序的字节流通讯，而SOCK_DGRAM 提供数据报通讯
- protocal 用于指定套接字的协议

sendto 和 recvfrom 函数

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

ssize_t recv(int sockfd, void buf[.len], size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void buf[restrict .len], size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *_Nullable restrict src_addr,
                 socklen_t *_Nullable restrict addrlen);

UDP的 sendto 和 recvfrom 每次收发数据都需要绑定一个地址信息，而TCP不需要

UDP 必须客户端先 sendto ，服务端先 recvfrom，客户端的地址不是固定的，而服务端

UDP通信例子

一个简单的UDP通信例子：

服务端server

#include<func.h>

int main(){
    // ./4_server 0.0.0.0 1234
    ARGS_CHECK(args, 3);
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  //UDP SOCK_DGRAM
    struct sockaddr_in serverAddr; 
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    serverAddr.sin_addr = inet_addr(argv[1]);
    // 进行bind操作
    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr));
    ERROR_CHECK(ret, -1, "bind");
    // 服务端先recvfrom
    struct sockaddr_in clientAddr;
    socklen_t clientAddrSize = sizeof(clientAddr);
    char buf[4096];
    recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf),0,
            (struct sockaddr *)&clientAddr, &clientAddrSize);
    printf("client ip = %s, port = %d\n",
          inent_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));
    printf("buf = %s", buf);
    close(sockfd);
    return 0;
}

客户端

#include<func.h>

int main(){
    // ./4_client 192.168.68.128 1234
    ARGS_CHECK(args, 3);
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  //UDP SOCK_DGRAM
    struct sockaddr_in serverAddr; 
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    serverAddr.sin_addr = inet_addr(argv[1]);
    // 客户端先 sendto
    sendto(sockfd, "zaima", 5, 0,
          (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr));
    return 0;
}

网络编程-TCP和UDP通信模型 Created at 2024-06-16 15:38