《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 24：制作 HTTP 服务器端

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 24：制作 HTTP 服务器端

HTTP 概要

本章将编写 HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）服务器端，即 Web 服务器端。

理解 Web 服务器端

HTTP 是以超文本传输为目的而设计的应用层协议，基于 TCP/IP 实现。

Web 服务器端就是基于 HTTP 协议，将网页对应文件传输给客户端的服务器端。

无状态的 Stateless 协议

HTTP 的请求及相应方式：

从上图可以看出，服务器端相应客户端请求后立即断开连接。换言之，服务器端不会维持客户端状态。即使同一客户端再次发送请求，服务器端也无法辨认出是原先那个，而会以相同方式处理新请求。因此，HTTP 又称「无状态的 Stateless 协议」。

现代互联网为了解决这种缺陷，会使用 Cookie、Session 等保存客户端信息。详见于：https://blog.csdn.net/ProgramNovice/article/details/137809102。

请求消息（Request Message）的结构

下面是客户端向服务端发起请求消息的结构：

从图中可以看出，请求消息可以分为请求头、消息头、消息体 3 个部分。

其中，请求行含有请求方式（请求目的）信息。典型的请求方式有 GET 和 POST ，GET 主要用于请求数据，POST 主要用于传输数据。

为了降低复杂度，我们实现只能响应 GET 请求的 Web 服务器端。

「GET/index.html HTTP/1.1」 具有如下含义：请求（GET）index.html 文件，通常以 1.1 版本的 HTTP 协议进行通信。

请求行下面的消息头中包含发送请求的浏览器信息、用户认证信息等关于 HTTP 消息的附加信息。最后的消息体中装有客户端向服务端传输的数据，为了装入数据，需要以 POST 方式发送请求。但是我们的目标是实现 GET 方式的服务器端，所以可以忽略这部分内容。另外，消息体和消息头与之间以空行隔开，因此不会发生边界问题。

响应消息（Response Message）的结构

下面是 Web 服务器端向客户端传递的响应信息的结构。从图中可以看出，该响应消息由状态行、头信息、消息体等 3 个部分组成。

状态行中有关于请求的状态信息，这是与请求消息相比最为显著的区别。

第一个字符串状态行中含有关于客户端请求的处理结果。例如，客户端请求 index.html 文件时，表示 index.html 文件是否存在、服务端是否发生问题而无法响应等不同情况的信息写入状态行。图中的「HTTP/1.1 200 OK」具有如下含义：我想以 1.1 版本的 HTTP 协议进行响应，你的请求已正确处理。

这里的数字叫做状态码，具体可以通过下面的文章详细了解：

1. https://blog.csdn.net/ProgramNovice/article/details/136882012
2. https://blog.csdn.net/ProgramNovice/article/details/126164376

消息头中含有传输的数据类型和长度等信息。图中的消息头含有如下信息：服务端名为 SimpleWebServer ，传输的数据类型为 text/html。数据长度不超过 2048 个字节。

最后插入一个空行后，通过消息体发送客户端请求的文件数据。

以上就是实现 Web 服务端过程中必要的 HTTP 协议。

实现简单的 Web 服务器端

基于 Windows 的多线程 Web 服务器端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <winsock2.h>
#include <process.h>#define BUF_SIZE 2048
#define BUF_SMALL 100unsigned WINAPI RequestHandler(void *arg);
void SendData(SOCKET sock, char *ct, char *fileName);
void SendErrorMSG(SOCKET sock);
char *ContentType(char *file);
void ErrorHanding(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{WSADATA wsaData;SOCKET hServSock, hClntSock;SOCKADDR_IN servAddr, clntAddr;HANDLE hThread;DWORD dwThreadID;int clntAdrSize;if (argc != 2){printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)ErrorHanding("WSAStartup() error!");hServSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hServSock == INVALID_SOCKET)ErrorHanding("socket() error!");memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));servAddr.sin_family = AF_INET;servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(hServSock, (SOCKADDR *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)ErrorHanding("bind() error!");if (listen(hServSock, 5) == SOCKET_ERROR)ErrorHanding("listen() error!");while (1){clntAdrSize = sizeof(clntAddr);hClntSock = accept(hServSock, (SOCKADDR *)&clntAddr, &clntAdrSize);if (hClntSock == INVALID_SOCKET)ErrorHanding("accept() error!");printf("Connection Request: %s:%d\n", inet_ntoa(clntAddr.sin_addr), ntohs(clntAddr.sin_port));hThread = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, RequestHandler, (void *)hClntSock, 0, (unsigned *)&dwThreadID);}closesocket(hServSock);WSACleanup();return 0;
}unsigned WINAPI RequestHandler(void *arg)
{SOCKET hClntSock = *(SOCKET *)arg;char buf[BUF_SIZE];char method[BUF_SMALL];char ct[BUF_SMALL];char fileName[BUF_SMALL];recv(hClntSock, buf, BUF_SIZE, 0);if (strstr(buf, "HTTP/") == NULL) // 查看是否为 HTTP 提出的请求{SendErrorMSG(hClntSock);closesocket(hClntSock);return 1;}strcpy(method, strtok(buf, " /"));if (strcmp(method, "GET")) // 查看是否为 GET 请求{SendErrorMSG(hClntSock);}strcpy(fileName, strtok(NULL, " /")); // 查看请求文件名strcpy(ct, ContentType(fileName));    // 查看 Content-TypeSendData(hClntSock, ct, fileName);return 0;
}// 读取文件内容，作为响应数据发送
void SendData(SOCKET sock, char *ct, char *fileName)
{char protocol[] = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";char servName[] = "Server:simple web server\r\n";char cntLen[] = "Content-Length:2048\r\n";char cntType[BUF_SMALL];char buf[BUF_SIZE];sprintf(cntType, "Content-Type:%s\r\n\r\n", ct);FILE *fp;if ((fp = fopen(fileName, "r")) == NULL){SendErrorMSG(sock);return;}// 传输头信息send(sock, protocol, strlen(protocol), 0);send(sock, servName, strlen(servName), 0);send(sock, cntLen, strlen(cntLen), 0);send(sock, cntType, strlen(cntType), 0);// 传输请求数据while (fgets(buf, BUF_SIZE, fp) != NULL){send(sock, buf, strlen(buf), 0);}closesocket(sock);
}// 返回错误响应
void SendErrorMSG(SOCKET sock)
{char protocol[] = "HTTP/1.0 400 Bad Request\r\n";char servName[] = "Server:simple web server\r\n";char cntLen[] = "Content-Length:2048\r\n";char cntType[] = "Content-Type:text/html\r\n\r\n";char content[] = "<html><head><title>NETWORK</title></head>""<body><font size=+5><br>发生错误！查看请求文件名和请求方式！</font>""</body></html>";send(sock, protocol, strlen(protocol), 0);send(sock, servName, strlen(servName), 0);send(sock, cntLen, strlen(cntLen), 0);send(sock, cntType, strlen(cntType), 0);send(sock, content, strlen(content), 0);closesocket(sock);
}// 根据文件名的后缀返回对应的 MIME 类型
char *ContentType(char *file)
{char extension[BUF_SMALL];char fileName[BUF_SMALL];strcpy(fileName, file);strtok(fileName, ".");                // 取出文件名strcpy(extension, strtok(NULL, ".")); // 取出文件后缀名if (!strcmp(extension, "html") || !strcmp(extension, "htm"))return "text/html";elsereturn "text/plain";
}void ErrorHanding(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

编译：

gcc webserver_win.c -lws2_32 -o webserv_win

运行结果：

基于 Linux 的多线程 Web 服务器端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <pthread.h>#define BUF_SIZE 1024
#define SMALL_BUF 100void *request_handler(void *arg);
void send_data(FILE *fp, char *ct, char *file_name);
char *content_type(char *file);
void send_error(FILE *fp);
void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;int clnt_adr_size;char buf[BUF_SIZE];pthread_t t_id;if (argc != 2){printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)error_handling("bind() error");if (listen(serv_sock, 20) == -1)error_handling("listen() error");while (1){clnt_adr_size = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_size);printf("Connection Request : %s:%d\n",inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr), ntohs(clnt_adr.sin_port));pthread_create(&t_id, NULL, request_handler, &clnt_sock);pthread_detach(t_id);}close(serv_sock);return 0;
}void *request_handler(void *arg)
{int clnt_sock = *((int *)arg);char req_line[SMALL_BUF];FILE *clnt_read;FILE *clnt_write;char method[10];char ct[15];char file_name[30];clnt_read = fdopen(clnt_sock, "r");clnt_write = fdopen(dup(clnt_sock), "w");fgets(req_line, SMALL_BUF, clnt_read);if (strstr(req_line, "HTTP/") == NULL){send_error(clnt_write);fclose(clnt_read);fclose(clnt_write);return;}strcpy(method, strtok(req_line, " /"));strcpy(file_name, strtok(NULL, " /"));strcpy(ct, content_type(file_name));if (strcmp(method, "GET") != 0){send_error(clnt_write);fclose(clnt_read);fclose(clnt_write);return;}fclose(clnt_read);send_data(clnt_write, ct, file_name);
}
void send_data(FILE *fp, char *ct, char *file_name)
{char protocol[] = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";char server[] = "Server:Linux Web Server \r\n";char cnt_len[] = "Content-length:2048\r\n";char cnt_type[SMALL_BUF];char buf[BUF_SIZE];FILE *send_file;sprintf(cnt_type, "Content-type:%s\r\n\r\n", ct);send_file = fopen(file_name, "r");if (send_file == NULL){send_error(fp);return;}// 传输头信息fputs(protocol, fp);fputs(server, fp);fputs(cnt_len, fp);fputs(cnt_type, fp);// 传输请求数据while (fgets(buf, BUF_SIZE, send_file) != NULL){fputs(buf, fp);fflush(fp);}fflush(fp);fclose(fp);
}
char *content_type(char *file)
{char extension[SMALL_BUF];char file_name[SMALL_BUF];strcpy(file_name, file);strtok(file_name, ".");strcpy(extension, strtok(NULL, "."));if (!strcmp(extension, "html") || !strcmp(extension, "htm"))return "text/html";elsereturn "text/plain";
}
void send_error(FILE *fp)
{char protocol[] = "HTTP/1.0 400 Bad Request\r\n";char server[] = "Server:Linux Web Server \r\n";char cnt_len[] = "Content-length:2048\r\n";char cnt_type[] = "Content-type:text/html\r\n\r\n";char content[] = "<html><head><title>NETWORK</title></head>""<body><font size=+5><br>发生错误！ 查看请求文件名和请求方式!""</font></body></html>";fputs(protocol, fp);fputs(server, fp);fputs(cnt_len, fp);fputs(cnt_type, fp);fflush(fp);
}
void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

编译：

gcc webserver_linux.c -D_REENTRANT -o webserver_linux -lpthread

运行结果：

习题

（1）下列关于 Web 服务器端和 Web 浏览器端的说法错误的是？

a. Web 浏览器并不是通过自身创建的套接字连接服务端的客户端。
b. Web 服务器端通过 TCP 套接字提供服务，因为它将保持较长的客户端连接并交换数据。
c. 超文本与普通文本的最大区别是其具有可跳转的特性。
d. Web 服务器端可视为向浏览器提供请求文件的文件传输服务器端。
e. 除 Web 浏览器外，其他客户端都无法访问 Web 服务器端。

答：

a、b、e。

（2）下列关于 HTTP 协议的描述错误的是？

a. HTTP 协议是无状态的 Stateless 协议，不仅可以通过 TCP 实现，还可以通过 UDP 来实现
b. HTTP 协议是无状态的 Stateless 协议，因为其在 1 次请求和响应过程完成后立即断开连接。因此，如果同一服务器端和客户端需要 3 次请求及响应，则意味着需要经过 3 次套接字的创建过程。
c. 服务端向客户端传递的状态码中含有请求处理结果的信息。
d. HTTP 协议是基于因特网的协议，因此，为了同时向大量客户端提供服务，HTTP 协议被设计为 Stateless 协议。

答：

a。

（3）IOCP 和 epoll 是可以保证高性能的典型服务器端模型，但如果在基于 HTTP 协议的 Web 服务器端使用这些模型，则无法保证一定能得到高性能。请说明原因。

IOCP 和 epoll 解决了 网络 I/O 的高效调度，但 Web 服务器的整体性能受制于：

1. 应用层逻辑的复杂度。
2. HTTP 协议的固有特性，比如：客户端和服务器端交换 1 次数据后将立即断开连接，没有足够的时间发挥 IOCP 或 epoll 的优势。
3. 系统资源管理，如线程池、内存分配。
4. 外部依赖的性能，如数据库、网络带宽。

因此，单纯依赖高性能 I/O 模型无法保证 Web 服务器的高性能，需结合协议优化（如 HTTP/2、QUIC）、代码逻辑优化、分布式架构设计（如负载均衡、缓存）等多方面改进。