网络编程之服务器模型与UDP编程

一、服务器模型

在网络通信中，通常要求一个服务器连接多个客户端

为了处理多个客户端的请求，通常有多种表现形式

1、循环服务器模型

一个服务器可以连接多个客户端，但同一时间只能连接并处理一个客户的请求

socket()

结构体

bind()

listen()

while(1)

{

        accept();

        while(1)

        {

                recv()

        }

}

2、并发服务器模型 

一个服务器可以同时处理多个客户端请求

2.1 多线程

每有一个客户端连接就去创建一个新的线程用于通信

为什么要使用多线程？-->解决服务器不能同时与多个客户通信

什么时间创建新的子线程？-->在accept之后（因为accept可以循环等待与多个客户建立连接，但无法同时与多个客户通信）

主线程  ---->用于循环等待客户的连接

子线程 ----->用于与客户通信

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
//  $$ 服务器端　$$　　void *handler_thread(void *arg)
{char buf[128] = "";int ret;int acceptfd = *(int *)arg;while (1){/*接收消息*/ret = recv(acceptfd, buf, 128, 0); // ０-->相当于read(acceptfd,buf,128)if (ret < 0){perror("recv err");return NULL;}else if (ret == 0){printf("客户退出\n");break;}else{printf("%s 接收成功\n", buf);memset(buf, 0, sizeof(buf));}}close(acceptfd);pthread_exit(NULL);
}int main(int argc, char const *argv[])
{/*创建流式套接字*/int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}else{printf("创建套接字成功\n");}/*指定服务器网络信息 使用的协议族（IPv4-->AF_INET)、IP地址、端口号等*/// 服务器的网络信息通过一个系统定义好的结构体来描述struct sockaddr_in saddr;                     // 定义一个结构体变量saddr.sin_family = AF_INET;                   // 确定协议族-->IPv4saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));        // 确定使用的端口号saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); // 确定服务器IP地址/*绑定套接字*/int t1 = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));if (t1 < 0){perror("bind err");return -1;}else{printf("绑定套接字成功\n");}/*监听*/int t2 = listen(sockfd, 6); // 将默认的主动套接字变为被动套接字if (t2 < 0){printf("listen err");return -1;}else{printf("监听中\n");}pthread_t tid;int acceptfd;// 定义一个结构体变量来存接收到的客户信息struct sockaddr_in caddr;// len是记录客户信息的结构体的大小int len = sizeof(caddr);while (1){/*阻塞等待接收客户端的连接请求,并将连接成功的客户端信息写入到结构体变量caddr中*/acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&caddr, &len);if (acceptfd < 0){printf("accept err");return -1;}else{printf("等待接收客户端请求\n");}printf("客户IP:%s 端口号：%d \n", inet_ntoa(caddr.sin_addr), ntohs(caddr.sin_port));pthread_create(&tid, NULL, handler_thread, &acceptfd);pthread_detach(tid);}/* 关闭套接字 */close(sockfd);return 0;
}

2.1 多进程

每有一个客户端连接就去创建一个新的进程用于通信

为什么要使用多进程？-->解决服务器不能同时与多个客户通信

什么时间创建新的子进程？-->在accept之后（因为accept可以循环等待与多个客户建立连接，但无法同时与多个客户通信）

主进程  ---->用于循环等待客户的连接

子进程 ----->用于与客户通信

2.3 IO多路复用

创建两个表fd_set rfds, tempfds

清空表 FD_ZREO(&rfds) ; FD_ZREO(&tempfds);

创建流式套接字socket() 得到sockfd

指明网络信息struct sockaddr_in saddr;

绑定套接字bind()

监听listen()

将想要监听的文件描述符放入表中 FD_SET(sockfd,&rfds)；FD_SET(0,&rfds);

//设置变量max用来保存文件描述符最大值

while(1){

tempfds=rfds；

//使用select轮询监听tempfds表

select(max+1,&tempfds,......)

//判断是哪个文件描述符发生了变化,并做出相应处理

 if(FD_ISSTE(sockfd,&tempfds);)

{

        acceptfd=accept();

        if(acceptfd>max)

        max=acceptfd;

        FD_SET(acceptfd,&rfds);

}

for(int i=0;i<max;i++)

{

        if(FD_ISSET(acceptfd))

{

        //通信

        if(出错)

        {

return -1；

        }

        else if（有客户退出）

        {

                close(i);

                FD_CLR（i,&rfds）;

                while(FD_ISSET(max,&rfds)==0) //看是否需要更新max

                max--;

}

else

{

收发消息

}

}

}

}

3、UDP

3.1通信流程

                       

    

3.2 函数接口

(1) 接收信息recvfrom()

recvfrom的最后连两个参数与accept最后两个参数起到了相同的作用--->获取消息发送方的信息

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
功能：接收数据
参数：sockfd：套接字描述符buf:接收缓存区的首地址len：接收缓存区的大小flags：0src_addr:发送端的网络信息结构体的指针addrlen：发送端的网络信息结构体的大小的指针
返回值：成功接收的字节个数失败：-10:客户端退出

(2) 发送信息 sendto()

sendto的最后连两个参数与connect最后两个参数传参一样---->确定消息要发给谁

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
功能：发送数据
参数：sockfd：套接字描述符buf:发送缓存区的首地址len：发送缓存区的大小flags：0src_addr:接收端的网络信息结构体的指针addrlen：接收端的网络信息结构体的大小
返回值： 成功发送的字节个数失败：-1

普通通信：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>/*消息发送方（无bind）*/int main(int argc, char const *argv[])
{/*创建数据报套接字*/int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}else{printf("创建套接字成功\n");}/*指定服务器网络信息 使用的协议族（IPv4-->AF_INET)、IP地址、端口号等*/// 服务器的网络信息通过一个系统定义好的结构体来描述struct sockaddr_in saddr;                     // 定义一个结构体变量saddr.sin_family = AF_INET;                   // 确定协议族-->IPv4saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));        // 确定使用的端口号saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); // 确定服务器IP地址char buf[128]="";while (1){fgets(buf,sizeof(buf),stdin);if(buf[strlen(buf)-1]=='\n')buf[strlen(buf)-1]='\0';if (strcmp(buf,"quit")==0){break;}sendto(sockfd, buf, 128, 0,(struct sockaddr *)&saddr,sizeof(saddr)); // ０-->相当于read(acceptfd,buf,128)}return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>/*消息接收方（有bind）*/int main(int argc, char const *argv[])
{/*创建数据报套接字*/int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}else{printf("创建套接字成功\n");}/*指定服务器网络信息 使用的协议族（IPv4-->AF_INET)、IP地址、端口号等*/// 服务器的网络信息通过一个系统定义好的结构体来描述struct sockaddr_in saddr;                     // 定义一个结构体变量saddr.sin_family = AF_INET;                   // 确定协议族-->IPv4saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));        // 确定使用的端口号saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); // 确定服务器IP地址/*绑定套接字*/int t1 = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));if (t1 < 0){perror("bind err");return -1;}else{printf("绑定套接字成功\n");}struct sockaddr_in caddr;int len=sizeof(caddr);char buf[128]="";int ret;while (1){ret = recvfrom(sockfd, buf, 128, 0,(struct sockaddr *)&caddr,&len); // ０-->相当于read(acceptfd,buf,128)if (ret < 0){perror("recv err");return -1;}else{printf("IP为:%s,端口号为:%d的客户发来了:%s \n", inet_ntoa(caddr.sin_addr),ntohs(caddr.sin_port),buf);memset(buf, 0, sizeof(buf));}}return 0;
}

4、广播与组播

广播：

● 前面介绍的数据包发送方式只有一个接受方，称为单播

● 如果同时发给局域网中的所有主机，称为广播

● 只有用户数据报(使用UDP协议)套接字才能广播

● 一般被设计成局域网搜索协议

● 广播地址：局域网中主机号最大的一个

注意要在同一网段下！！！

缺点：

广播方式发给所有的主机，过多的广播会大量的占用网络带宽，造成广播风暴，影响正常的通信

广播风暴： 网络长时间被大量的广播数据包所占用，使正常的点对点通信无法正常进行，其外在表现为网络速度奇慢无比，甚至导致网络瘫痪

补充：

int setsockopt(int sockfd,int level,int optname,void *optval,socklen_t optlen)
功能：获得/设置套接字属性
参数：sockfd：套接字描述符level：协议层optname：选项名optval:选项值optlen:选项值大小
返回值:     成功 0                  失败-1

set：设置 sock：套接字 option：属性 选项

socket属性（int类型，允许则为非0，不允许为0）

流程：

接收者

1.  创建套接字（socket）

2.  指定网络信息

3.  绑定套接字（bind）

4.  接收消息（recvfrom）

5.  关闭套接字（close）

发送者

1.  创建套接字（socket）

2.  由于原本的套接字不支持广播，所以要给套接字设置广播属性

3.  指定网络（服务器）信息

4.  发送消息（sendto）

5.  关闭套接字（close）

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>/*UDP广播*/int main(int argc, char const *argv[])
{/*创建数据报套接字*/int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}else{printf("创建套接字成功\n");}//为套接字设置广播属性int optval = 1;setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &optval, sizeof(optval));//指定网络信息struct sockaddr_in saddr;                            // 定义一个结构体变量saddr.sin_family = AF_INET;                          // 确定协议族-->IPv4saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));               // 确定使用的端口号saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.50.255"); // IP使用该网段广播地址//通信char buf[128] = "";while (1){fgets(buf, sizeof(buf), stdin);if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')buf[strlen(buf) - 1] = '\0';if (strcmp(buf, "quit") == 0){break;}sendto(sockfd, buf, 128, 0, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr)); }return 0;
}

组播：

又名多播   

● 多播是一个人发送后，只有加入到多播组的人接收数据。

● 多播方式既可以发给多个主机，又能避免像广播那样带来过多的负载(每台主机要到传输层才能判断广播包是否要处理)

多播地址：D类IP：224.0.0.1~239.255.255.254

流程

接收者

1.  创建套接字（socket）

2.  设置多播属性，将自己的IP加入到多播组中

3.  指定网络信息

4.  绑定套接字（bind）

5.  接收消息（recvfrom）

6.  关闭套接字（close）

发送者

1.  创建套接字（socket）

2.  指定网络（服务器）信息

3.  发送消息（sendto）

4.  关闭套接字（close）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>/*消息接收方（有bind）*/int main(int argc, char const *argv[])
{/*创建数据报套接字*/int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){perror("socket err");return -1;}else{printf("创建套接字成功\n");}//设置多播属性，将自己加入多播组(绑定自己的ip和组播ip)struct ip_mreq mreq;mreq.imr_multiaddr.s_addr=inet_addr(argv[1]);//组播ipmreq.imr_interface.s_addr=INADDR_ANY;//自己的ipsetsockopt(sockfd,IPPROTO_IP,IP_ADD_MEMBERSHIP,&mreq,sizeof(mreq));/*指定服务器网络信息 使用的协议族（IPv4-->AF_INET)、IP地址、端口号等*/// 服务器的网络信息通过一个系统定义好的结构体来描述struct sockaddr_in saddr;                     // 定义一个结构体变量saddr.sin_family = AF_INET;                   // 确定协议族-->IPv4saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));        // 确定使用的端口号saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;     // 服务器地址/*绑定套接字*/int t1 = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));if (t1 < 0){perror("bind err");return -1;}else{printf("绑定套接字成功\n");}struct sockaddr_in caddr;int len=sizeof(caddr);char buf[128]="";int ret;while (1){ret = recvfrom(sockfd, buf, 128, 0,(struct sockaddr *)&caddr,&len); if (ret < 0){perror("recv err");return -1;}else{printf("IP为:%s,端口号为:%d的客户发来了:%s \n", inet_ntoa(caddr.sin_addr),ntohs(caddr.sin_port),buf);memset(buf, 0, sizeof(buf));}}return 0;
}