网络编程 -- 简易TCP网络程序

一 字符串回响

1.1 核心功能

  字符串回响程序类似于 echo 指令，客户端向服务器发送消息，服务器在收到消息后会将消息发送给客户端，该程序实现起来比较简单，同时能很好的体现 socket 套接字编程的流程。

  

1.2 程序结构

  这个程序我们已经基于 UDP 协议实现过了，换成 TCP 协议实现时，程序的结构是没有变化的，同样需要 server.hpp、server.cc、client.hpp、client.cc 这几个文件。

server.hpp 头文件

 #pragma once#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include<cstring>namespace My_server{const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号class server{public:server(const uint16_t port = default_port):_port(port){}~server(){}// 初始化服务器void InitServer(){}// 启动服务器void StartServer(){}private:int _sock; // 套接字（存疑）uint16_t _port; // 端口号};
}

注意： 这里的 _sock 套接字成员后面需要修改

server.cc 头文件

//智能指针头文件
#include<memory>
#include"server.hpp"using namespace My_server;int main(){std::unique_ptr<server> usvr(new server());usvr->InitServer();usvr->StartServer();return 0;
}

创建 client.hpp 客户端头文件

#pragma once#include<iostream>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include"err.hpp"namespace My_client{class client{public:client(const std::string& ip,const uint16_t port):server_ip(ip),server_port(port){}~client(){}//初始化客户端void InitClient(){}// 启动客户端void StartClient(){}private:int _sock;// 套接字std::string server_ip;//服务器ipuint16_t server_port; //服务器端口号};
}

创建client.cc文件
 

#include"client.hpp"
#include<memory>using namespace My_client;void Usage(char* program){std::cout<<"Usage : "<<std::endl;std::cout<<"\t "<<program<<" ServerIP ServerPort"<<std::endl;}int main(int argc,char *argv[]){if(argc!=3){Usage(argv[0]);return USAGE_ERR;}//获取服务器IP地址和端口号std::string ip(argv[1]);uint16_t port=std::stoi(argv[2]);std::unique_ptr<client> usvr(new client(ip,port));usvr->InitClient();usvr->StartClient();return 0;
}

同时需要Makefile文件

.PHONY:all
all:server clientserver:server.ccg++ -o $@ $^ -std=c++14client:client.ccg++ -o $@ $^ -std=c++14.PHONY:clean
clean:rm -rf server client

和 err.hpp 头文件

#pragma once// 错误码
enum
{USAGE_ERR=1 ,SOCKET_ERR,BIND_ERR
};

1.3 服务端

1.3.1 初始化服务端  

  基于 TCP 协议实现的网络程序也需要 创建套接字、绑定 IP 和端口号

在使用 socket 函数创建套接字时，UDP 协议需要指定参数2为 SOCK_DGRAM，TCP 协议则是指定参数2为 SOCK_STREAM

InitServer() 初始化服务器函数 — 位于 server.hpp 服务器头文件中的 server 类

 #pragma once#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include<cstring>namespace My_server{const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号class server{public:server(const uint16_t port = default_port):_port(port){}~server(){}// 初始化服务器void InitServer(){//1 创建套接字_sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_sock==-1){//绑定失败std::cerr<<"Create Socket Fail!"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(SOCKET_ERR);}std::cout<<"Create Socket Success!"<<_sock<<std::endl;//2 绑定端口号和IP地址struct sockaddr_in lockal;bzero(&lockal,sizeof lockal);lockal.sin_family = AF_INET;lockal.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;lockal.sin_port = htons(_port);if(bind(_sock,(const sockaddr*)&lockal,sizeof(lockal))){std::cout<<"Bind IP&&Port Fali:"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(BIND_ERR);}}// 启动服务器void StartServer(){}private:int _sock; // 套接字（存疑）uint16_t _port; // 端口号};
}

注意： 在绑定端口号时，一定需要把主机序列转换为网络序列

  为什么在绑定端口号阶段需要手动转换为网络序列，而在发送信息阶段则不需要？ 这是因为在发送信息阶段，recvfrom / sendto 等函数会自动将需要发送的信息转换为网络序列，接收信息时同样会将其转换为主机序列，所以不需要手动转换

  如果使用的 UDP 协议，那么初始化服务器到此就结束了，但我们本文中使用的是 TCP 协议，这是一个 面向连接 的传输层协议，意味着在初始化服务器时，需要设置服务器为 监听 状态

  使用到的函数是 listen 函数

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);

返回值：监听成功返回 0，失败返回 -1.

  listen函数 使得一个进程可以接受其它进程的请求，从而成为一个服务器进程。在TCP服务器编程中listen函数把进程变为一个服务器，并指定相应的套接字变为被动连接。

  这里的参数2需要设置一个整数，通常为 16、32、64...，表示 全连接队列 的最大长度，关于 全连接队列 的详细知识放到后续博客中讲解，这里只需要直接使用。

server.hpp 服务器头文件

  我们改变一下网络文件的名字

 #pragma once#include<iostream>
#include<cerrno>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include<cstring>namespace My_server{const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号const int backlog=32; //全连接队列的最大长度class server{public:server(const uint16_t port = default_port):_port(port){}~server(){}// 初始化服务器void InitServer(){//1 创建套接字_listensock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_listensock==-1){//绑定失败std::cerr<<"Create Socket Fail!"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(SOCKET_ERR);}std::cout<<"Create Socket Success!"<<_listensock<<std::endl;//2 绑定端口号和IP地址struct sockaddr_in local;bzero(&local,sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//绑定任意可用IP地址local.sin_port = htons(_port);if(bind(_listensock,(const sockaddr*)&local,sizeof(local))){std::cout<<"Bind IP&&Port Fali:"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(BIND_ERR);}//3. 监听if(listen(_listensock,backlog) == -1){std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;//新增一个报错exit(LISTEN_ERR);}std::cout<<"Listen Success!"<<std::endl;}// 启动服务器void StartServer(){}private:int _listensock; // 套接字（存疑）uint16_t _port; // 端口号};
}

  至此基于  TCP 协议 实现的初始化服务器函数就填充完成了，编译并运行服务器，显示初始化服务器成功。

1.3.2 启动服务器

1.3.2.1 处理连接请求

  TCP 是面向连接，当有客户端发起连接请求时，TCP 服务器需要正确识别并尝试进行连接，当连接成功时，与其进行通信，可使用 accept 函数进行连接。

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数解读：

  • sockfd 服务器用于处理连接请求的 socket 套接字
  • addr 客户端的 sockaddr 结构体信息
  • addrlen 客户端的 sockaddr 结构体大写

  其中 addr 与 addrlen 是一个 输入输出型 参数，类似于 recvfrom 中的参数。

  返回值：连接成功返回一个用于通信的 socket 套接字（文件描述符），失败返回 -1。

  这也就意味着之前我们在 TcpServer 中创建的类内成员 sock_ 并非是用于通信，而是专注于处理连接请求，在 TCP 服务器中，这种套接字称为 监听套接字

使用 accept 函数处理连接请求

server.hpp 服务器头文件

 #pragma once#include<iostream>
#include<cerrno>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include<cstring>namespace My_server{const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号const int backlog=32; //全连接队列的最大长度class server{public:server(const uint16_t port = default_port):_port(port){}~server(){}// 初始化服务器void InitServer(){//1 创建套接字_listensock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_listensock==-1){//绑定失败std::cerr<<"Create Socket Fail!"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(SOCKET_ERR);}std::cout<<"Create Socket Success!"<<_listensock<<std::endl;//2 绑定端口号和IP地址struct sockaddr_in local;bzero(&local,sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//绑定任意可用IP地址local.sin_port = htons(_port);if(bind(_listensock,(const sockaddr*)&local,sizeof(local))){std::cout<<"Bind IP&&Port Fali:"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(BIND_ERR);}//3. 监听if(listen(_listensock,backlog) == -1){std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;//新增一个报错exit(LISTEN_ERR);}std::cout<<"Listen Success!"<<std::endl;}// 启动服务器void StartServer(){while(!_quit){//1 处理连接请求struct sockaddr_in client;socklen_t len=sizeof(client);int sock=accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);//2 如果连接失败 继续尝试连接if(sock==-1){std::cerr<<"Accept Fail!"<<strerror(errno)<<std::endl;continue;}//连接成功，获取客户端信息std::string clientip=inet_ntoa(client.sin_addr);uint16_t clientport= ntohs(client.sin_port);std::cout<<"Server accept"<<clientip + "-"<<clientport<<sock<<" from "<<_listensock<<" success!"<<std::endl;//3 这里因为是字节流传递，一般而言我们会自己写一个函数Service(sock,clientip,clientport);}}private:int _listensock; // 套接字（存疑）uint16_t _port; // 端口号bool _quit; // 判断服务器是否结束运行};
}
1.3.2.2 业务处理

对于 TCP 服务器来说，它是面向字节流传输的，我们之前使用的文件相关操作也是面向字节流，凑巧的是在 Linux 中网络是以挂接在文件系统的方式实现的，种种迹象表明：可以通过文件相关接口进行通信

  • read 从文件中读取信息（接收消息）
  • write 向文件中写入信息（发送消息）

这两个系统调用的核心参数是 fd（文件描述符），即服务器与客户端在连接成功后，获取到的 socket 套接字，所以接下来可以按文件操作的套路，完成业务处理

Service() 业务处理函数 — 位于 server.hpp 服务器头文件中的 server 类

  void Service(int sock,const std::string& clientip,const uint16_t& clientport){char buff[1024];std::string who=clientip + "-" + std::to_string(clientport);while(true){//以C语言格式读取，预留'\0'的位置ssize_t n = read(sock,buff,sizeof(buff)-1);if(n>0){//读取成功std::cout<<"Server get: "<<buff<<" from "<<who<<std::endl;//实际处理可以交给上层逻辑指定std::string respond = _func(buff);//发送给服务器write(sock,buff,strlen(buff));}else if(n==0){//表示当前读到了文件末尾，结束读取std::cout<<"Client "<<who<<" "<<sock<<" quit!"<<std::endl;close(sock);break;}else{// 读取出问题（暂时）std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;close(sock); // 关闭文件描述符break;}}}
1.3.2.2.1 回调函数

为了更好的实现功能解耦，这里将真正的业务处理函数交给上层处理，编写完成后传给 TcpServer 对象即可，当然，在 TcpServer 类中需要添加对应的类型

这里设置回调函数的返回值为 string，参数同样为 string

server.hpp 服务器头文件

 #pragma once#include<iostream>
#include<cerrno>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include<cstring>
#include <unistd.h>
#include<functional>namespace My_server{const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号const int backlog=32; //全连接队列的最大长度using func_t = std::function<std::string(std::string)>;class server{public:server(const func_t &func,const uint16_t port = default_port):_func(func),_port(port),_quit(false){}~server(){}// 初始化服务器void InitServer(){//1 创建套接字_listensock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_listensock==-1){//绑定失败std::cerr<<"Create Socket Fail!"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(SOCKET_ERR);}std::cout<<"Create Socket Success!"<<_listensock<<std::endl;//2 绑定端口号和IP地址struct sockaddr_in local;bzero(&local,sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//绑定任意可用IP地址local.sin_port = htons(_port);if(bind(_listensock,(const sockaddr*)&local,sizeof(local))){std::cout<<"Bind IP&&Port Fali:"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(BIND_ERR);}//3. 监听if(listen(_listensock,backlog) == -1){std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;//新增一个报错exit(LISTEN_ERR);}std::cout<<"Listen Success!"<<std::endl;}// 启动服务器void StartServer(){while(!_quit){//1 处理连接请求struct sockaddr_in client;socklen_t len=sizeof(client);int sock=accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);//2 如果连接失败 继续尝试连接if(sock==-1){std::cerr<<"Accept Fail!"<<strerror(errno)<<std::endl;continue;}//连接成功，获取客户端信息std::string clientip=inet_ntoa(client.sin_addr);uint16_t clientport= ntohs(client.sin_port);std::cout<<"Server accept"<<clientip + "-"<<clientport<<sock<<" from "<<_listensock<<" success!"<<std::endl;//3 这里因为是字节流传递，一般而言我们会自己写一个函数Service(sock,clientip,clientport);}}void Service(int sock,const std::string& clientip,const uint16_t& clientport){char buff[1024];std::string who=clientip + "-" + std::to_string(clientport);while(true){//以C语言格式读取，预留'\0'的位置ssize_t n = read(sock,buff,sizeof(buff)-1);if(n>0){//读取成功std::cout<<"Server get: "<<buff<<" from "<<who<<std::endl;//实际处理可以交给上层逻辑指定std::string respond = _func(buff);//发送给服务器write(sock,buff,strlen(buff));}else if(n==0){//表示当前读到了文件末尾，结束读取std::cout<<"Client "<<who<<" "<<sock<<" quit!"<<std::endl;close(sock);break;}else{// 读取出问题（暂时）std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;close(sock); // 关闭文件描述符break;}}}private:int _listensock; // 套接字（存疑）uint16_t _port; // 端口号bool _quit; // 判断服务器是否结束运行func_t _func;// 回调函数};
}
1.3.2.2.2 server.cc文件

对于当前的 TCP 网络程序（字符串回响）来说，业务处理函数逻辑非常简单，无非就是直接将客户端发送过来的消息，重新转发给客户端

server.cc 服务器源文件

//智能指针头文件
#include<memory>
#include"server.hpp"
#include<string>using namespace My_server;
// 业务处理回调函数（字符串回响）
std::string echo(std::string request){return request;
}int main(){std::unique_ptr<server> usvr(new server(echo));usvr->InitServer();usvr->StartServer();return 0;
}

  尝试编译并运行服务器，可以看到当前 bash 已经被我们的服务器程序占用了，重新打开一个终端，并通过 netstat 命令查看网络使用情况（基于 TCP 协议）

1.4 客户端

1.4.1 初始化客户端

 对于客户端来说，服务器的 IP 地址与端口号是两个不可或缺的元素，因此在客户端类中，  server_ip 和 server_port 这两个成员是少不了的，当然得有 socket 套接字

初始化客户端只需要干一件事：创建套接字，客户端是主动发起连接请求的一方，也就意味着它不需要使用 listen 函数设置为监听状态

注意： 客户端也是需要 bind 绑定的，但不需要自己手动绑定，由操作系统帮我们自动完成

client.hpp 客户端头文件

#pragma once#include<iostream>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include"err.hpp"
#include<cerrno>
#include<cstring>namespace My_client{class client{public:client(const std::string& ip,const uint16_t port):server_ip(ip),server_port(port){}~client(){}//初始化客户端void InitClient(){// 1. 创建套接字_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_sock == -1){std::cerr << "Create Socket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}   std::cout << "Create Sock Succeess! " << _sock << std::endl;}// 启动客户端void StartClient(){}private:int _sock;// 套接字std::string server_ip;//服务器ipuint16_t server_port; //服务器端口号};
}

1.4.2 启动客户端

1.4.2.1 尝试进行连接

  因为 TCP 协议是面向连接的，服务器已经处于处理连接请求的状态了，客户端现在需要做的就是尝试进行连接，使用 connect 函数进行连接。

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数解读：

  • sockfd 需要进行连接的套接字
  • addr 服务器的 sockaddr 结构体信息
  • addrlen 服务器的 sockaddr 结构体大小

返回值：连接成功返回 0，连接失败返回 -1.

  在连接过程中，可能遇到很多问题，比如 网络传输失败、服务器未启动 等，这些问题的最终结果都是客户端连接失败，如果按照之前的逻辑（失败就退出），那么客户端的体验感会非常不好，因此在面对连接失败这种常见问题时，客户端应该尝试重连，如果重连数次后仍然失败，才考虑终止进程

注意： 在进行重连时，可以使用 sleep() 等函数使程序睡眠一会，给网络恢复留出时间

StartClient() 启动客户端函数 — 位于 client.hpp 中的client 类.

#pragma once#include<iostream>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include"err.hpp"
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
namespace My_client{class client{public:client(const std::string& ip,const uint16_t port):server_ip(ip),server_port(port){}~client(){}//初始化客户端void InitClient(){// 1. 创建套接字_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_sock == -1){std::cerr << "Create Socket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}   std::cout << "Create Sock Succeess! " << _sock << std::endl;}// 启动客户端void StartClient(){//填充服务器的sockaddr_int 结构体信息struct sockaddr_in server;socklen_t len=sizeof(server);bzero(&server,len);server.sin_family = AF_INET;inet_aton(server_ip.c_str(), &server.sin_addr); // 将点分十进制转化为二进制IP地址的另一种方法server.sin_port = htons(server_port);//尝试重连五次int n=5;while(n){int ret = connect(_sock,(const struct sockaddr*)&server,len);if(ret==0){// 连接成功，可以跳出循环break;}// 尝试进行重连std::cerr << "网络异常，正在进行重连... 剩余连接次数: " << --n << std::endl;sleep(1);}// 如果剩余重连次数为 0，证明连接失败if(n == 0){std::cerr << "连接失败! " << strerror(errno) <<    std::endl;close(_sock);exit(CONNECT_ERR);//新加错误标识符}// 连接成功std::cout << "连接成功!" << std::endl;// 进行业务处理// Service();}private:int _sock;// 套接字std::string server_ip;//服务器ipuint16_t server_port; //服务器端口号};
}
1.4.2.2 业务处理

客户端在进行业务处理时，同样可以使用 read 和 write 进行网络通信

Service() 业务处理函数 — 位于 client.hpp 客户端头文件中的 TcpClient 类

// 业务处理
void Service()
{char buff[1024];std::string who = server_ip + "-" + std::to_string(server_port);while(true){// 由用户输入信息std::string msg;std::cout << "Please Enter >> ";std::getline(std::cin, msg);// 发送信息给服务器write(_sock, msg.c_str(), msg.size());// 接收来自服务器的信息ssize_t n = read(_sock, buff, sizeof(buff) - 1);if(n > 0){// 正常通信buff[n] = '\0';std::cout << "Client get: " << buff << " from " << who << std::endl;}else if(n == 0){// 读取到文件末尾（服务器关闭了）std::cout << "Server " << who  << " quit!" << std::endl;close(_sock); // 关闭文件描述符break;}else{// 读取异常std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;close(_sock); // 关闭文件描述符break;}}
}

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