day-03 基于TCP的服务器端/客户端

一.理解TCP和UDP

TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）是两种常见的传输层协议，用于在计算机网络中提供可靠的数据传输。

1.TCP：

• 连接导向：TCP是一种面向连接的协议，通信双方在数据传输前需要先建立可靠的连接。
• 可靠性：TCP提供可靠的数据传输，通过使用序列号、确认应答、超时重传等机制来确保数据的完整性和可靠性。
• 流量控制与拥塞控制：TCP通过流量控制和拥塞控制来调节发送端的数据发送速率，以避免网络拥堵或丢包现象。
• 有序性：TCP保证数据按照发送顺序到达目标端，不会发生乱序问题。
• 面向字节流：TCP将数据视为连续的字节流进行传输，没有消息边界的概念。

TCP适用于对数据完整性和可靠性要求较高的应用场景，如文件传输、电子邮件、网页浏览等。

2.UDP：

• 无连接：UDP是一种无连接的协议，通信双方在数据传输时不需要先建立连接。
• 不可靠性：相比TCP，UDP不提供数据的可靠性保证，数据可能会丢失、乱序或重复。
• 无拥塞控制：UDP不对数据发送速率进行调节，因此可能会造成网络拥堵和丢包现象。
• 无序性：UDP没有保证数据按照发送顺序到达目标端的机制，数据可能会乱序到达。
• 面向报文：UDP将数据视为独立的报文进行传输，保留了消息的边界。

UDP适用于对实时性要求较高、数据丢失可容忍或应用自身提供可靠性机制的应用场景，如音频/视频流传输、在线游戏等。

需要根据具体应用需求选择使用TCP还是UDP。TCP提供可靠的有序数据传输，适合对数据完整性要求较高的场景；而UDP提供了更低的延迟和更高的实时性，适用于对实时性要求较高、数据丢失可容忍的场景。

TCP/IP协议栈

二.实现基于TCP的服务器端/客户端

1.TCP服务器端的默认函数调用顺序

 2.TCP客户端的默认函数调用顺序

3.基于TCP的服务器端/客户端函数调用关系

 4.实现迭代回声服务器端/客户端

（VM ubuntu编译Cpp：g++ -std=c++11  文件名 -o  生成文件名）

（1）echo_server.cpp

• g++ -std=c++11 echo_server.cpp -o eserver
• ./eserver 9190

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024void error_handling(const char *message);int main(int argc, char *argv[]) {int serv_sock, clnt_sock;char message[BUF_SIZE];int str_len, i;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;socklen_t clnt_adr_sz;if (argc != 2) {std::cout << "Usage: " << argv[0] << " <port>" << std::endl;exit(1);}serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (serv_sock == -1)error_handling("socket() error");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, 5) == -1)error_handling("listen() error");clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);for (i = 0; i < 5; i++) {clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);if (clnt_sock == -1)error_handling("accept() error");elsestd::cout << "Connected client " << i+1 << std::endl;while ((str_len = read(clnt_sock, message, BUF_SIZE)) != 0)write(clnt_sock, message, str_len);close(clnt_sock);}close(serv_sock);return 0;
}void error_handling(const char *message) {std::cout << message << std::endl;exit(1);
}

（2）echo_client.cpp

• g++ -std=c++11 echo_client.cpp -o eclient
• ./eclient 127.0.0.1 9190

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024void error_handling(const char *message);int main(int argc, char *argv[]) {int sock;char message[BUF_SIZE];int str_len;struct sockaddr_in serv_adr;if (argc != 3) {std::cout << "Usage: " << argv[0] << " <IP> <port>" << std::endl;exit(1);}sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock == -1)error_handling("socket() error");memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)//调用conndect函数error_handling("connect() error!");elsestd::cout << "connected..........." << std::endl;while (true) {std::cout << "Input message (Q to quit): ";std::cin.getline(message, BUF_SIZE);if (strcmp(message, "q") == 0 || strcmp(message, "Q") == 0)break;write(sock, message, strlen(message));str_len = read(sock, message, BUF_SIZE-1);message[str_len] = '\0';std::cout << "Message from server: " << message << std::endl;}close(sock);//调用close函数向相应套接字发送EOF（EOF意味着中断连接）return 0;
}void error_handling(const char *message) {std::cerr << message << std::endl;exit(1);
}

存在问题：

• 如果数据量太大，操作系统可能把数据分成多个数据包发送到客户端（但是服务器端每次接收读取之后只调用一次 write（） 函数。
• 另外，客户端有可能在尚未收到全部数据包时就调用 read（）函数，导致回声不完整。

三.总结

1.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。

TCP/IP协议栈是一个网络通信的基本模型，它由四层协议组成，分别是应用层、传输层、网络层和链路层。

1. 应用层：应用层提供了用户与网络之间的接口，负责处理特定的应用程序数据。常见的应用层协议有HTTP、FTP、SMTP等。

2. 传输层：传输层主要负责在网络中传输数据。其中最重要的两个协议是TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。

   • TCP套接字经过传输层。TCP是一种面向连接的协议，提供可靠的数据传输。它通过建立连接、数据分段、流量控制、拥塞控制等机制来保证数据的可靠性和顺序性。TCP套接字在传输层使用IP地址和端口号进行标识。

   • UDP套接字也经过传输层。UDP是一种无连接的协议，不提供可靠性保证。它将数据打包成数据报发送，不关心数据是否能够到达目标地址。UDP套接字同样使用IP地址和端口号进行标识。

3. 网络层（IP层）：网络层负责将数据从源主机传输到目标主机，它使用IP协议进行数据包的路由选择和转发。IP协议为数据包分配唯一的IP地址。

4. 链路层：链路层是网络通信的物理层和数据链路层接口，负责将网络层传输的数据转换成比特流进行物理传输。它包括了物理寻址、帧封装和错误检测等功能。

• IP层和链路层之间的关系是协同工作。IP层将数据封装成IP数据包，在传输过程中会添加源IP地址和目标IP地址，然后将数据包交给链路层进行物理传输。链路层收到IP数据包后，会添加自己的帧头和帧尾信息，并将数据包转换成比特流发送。接收端的链路层会将接收到的比特流重新组装成帧，并去除链路层的头部和尾部信息，然后将数据包交给IP层进行进一步处理。
• 总结来说，IP层负责寻址、路由选择和数据包的传输控制，而链路层负责物理传输和错误检测。它们共同协作，完成了数据从源主机到目标主机的传输过程。

所以，TCP和UDP套接字在协议栈的层级结构上并无差异，都经过传输层。它们的主要区别在于TCP提供面向连接的可靠传输，而UDP提供无连接的不可靠传输。根据应用场景的需要，可以选择使用TCP或UDP来进行数据传输。

2.为什么要把TCP/IP协议栈分成4层（或7层）结合开放式系统回答?

TCP/IP协议栈被分成多层的设计是出于以下几个原因，其中也与开放式系统相关：

1. 模块化设计：将TCP/IP协议栈分成多层可以实现模块化的设计，每一层都有明确定义的功能和责任。这样可以提高系统的可维护性和可扩展性。如果需要对某一层进行修改或替换，只需关注特定层而无需改动其他层。

2. 逻辑分离：将网络通信过程划分为不同的层级，可以实现逻辑上的分离。每一层专注于自身的任务，不需要关心其他层的具体实现。这种分离使得各层之间的接口定义清晰，降低了系统的复杂性。

3. 标准化和互操作性：将TCP/IP协议栈分成多层使得每一层的功能和协议得到标准化。这样不同厂商、不同操作系统的设备都可以按照相同的标准实现对应的层，从而实现互操作性。这种开放式的设计使得不同设备和系统能够无缝地进行通信。

4. 灵活性和可定制性：通过分层设计，可以根据具体需求选择性地使用不同层提供的功能。例如，某些应用场景可能只需要传输层和网络层的功能，可以选择性地使用这些层，而不需要实现其他层。这种灵活性和可定制性使得TCP/IP协议栈适应各种不同的网络和应用需求。

综上所述，将TCP/IP协议栈分成多层结构是为了实现模块化设计、逻辑分离、标准化和互操作性，以及提供灵活性和可定制性。这样的设计使得开放式系统中的不同设备和系统能够相互通信，并且能够根据具体需求进行定制和扩展。

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

服务器端调用 listen 函数后，客户端可以调用 connect 函数。
在TCP通信中，服务器端需要先调用listen函数来监听指定的端口，以便接受客户端的连接请求。listen函数使得服务器端处于监听状态，等待客户端连接。
一旦服务器端调用了listen函数，客户端就可以通过调用connect函数向服务器端发送连接请求。connect函数会建立与服务器端的连接，并进行三次握手来确保连接的可靠性。
所以，客户端需要在服务器端调用listen函数之后才能调用connect函数，以发起与服务器的连接。

4.什么时候创建连接请求等待队列，有何作用，和accept有什么关系？

        连接请求等待队列是在服务器端调用listen函数后创建的。它的作用是用于存储尚未被服务器端accept函数接受的客户端连接请求。

        当服务器端调用listen函数后，它会开始监听指定的端口，并将该端口设置为监听状态，等待客户端的连接请求。如果有多个客户端同时向服务器端发送连接请求，而服务器端只能逐个处理这些请求，这时就需要使用连接请求等待队列。

        连接请求等待队列允许服务器端在处理一个连接请求时，将其他连接请求暂时保存起来，以便后续处理。通过使用连接请求等待队列，可以确保当服务器端正在处理一个连接请求时，其他连接请求不会被丢失。

        当服务器端调用accept函数时，它从连接请求等待队列中取出一个连接请求进行处理。accept函数会建立与客户端的连接，并返回一个新的套接字，服务器端可通过这个套接字与对应的客户端进行通信。

        因此，连接请求等待队列与accept函数密切相关。连接请求等待队列存储了尚未被接受的客户端连接请求，而accept函数则负责从队列中取出连接请求并建立连接。通过连接请求等待队列和accept函数的配合使用，服务器端能够管理和处理多个客户端的连接请求。

5.客户端中为何不需要调用bind函数分配函数地址，如果不调用bin函数，那么何时，如何向套接字分配IP地址和端口号？

        在客户端中，不需要调用bind()函数来分配函数地址，是因为客户端一般不需要绑定特定的IP地址和端口号。客户端的套接字可以通过操作系统自动分配可用的临时端口，并自动关联客户端的IP地址。

        当客户端创建套接字时，操作系统会自动选择一个可用的本地端口，并将其与套接字进行关联。这个过程通常称为"隐式绑定"（implicit binding）。

        隐式绑定可以确保客户端使用的本地端口是唯一的，并且不会与其他应用程序冲突。对于大多数客户端应用程序而言，这种自动分配是足够的，无需显式调用bind()函数。

        需要注意的是，如果你想要在客户端使用特定的本地IP地址和端口号，或者需要进行端口重用等特殊操作，那么你可能需要调用bind()函数来手动指定这些参数。但一般情况下，客户端并不需要手动调用bind()函数来分配函数地址。

四.回声客户端的功能实现（加减乘）----应用层协议设计

        要求，服务器端从客户端获得多个数字和运算符信息，然后把结果传回客户端。

1.op_server.cpp

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024
#define OPSZ 4void error_handling(const char *message);
int calculate(int opnum,int opnds[],char oprator);int main(int argc,char *argv[]){int serv_sock,clnt_sock;char opinfo[BUF_SIZE];int result,opnd_cnt,i;int recv_cnt,recv_len;struct sockaddr_in serv_adr,clnt_adr;socklen_t clnt_adr_sz;if(argc!=2){std::cout<<"Usage :"<<argv[0]<<"<port>"<<std::endl;exit(1);}serv_sock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);if(serv_sock==-1)error_handling("socket() error");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,5)==-1)error_handling("listen() error");clnt_adr_sz=sizeof(clnt_adr);for(i=0;i<5;i++){opnd_cnt=0;//运算个数clnt_sock=accept(serv_sock,(struct sockaddr*)&clnt_adr,&clnt_adr_sz);read(clnt_sock,&opnd_cnt,1);recv_len=0;while((opnd_cnt*OPSZ+1)>recv_len){//读取运算值recv_cnt=read(clnt_sock,&opinfo[recv_len],BUF_SIZE-1);recv_len+=recv_cnt;}result+=calculate(opnd_cnt,(int*)opinfo,opinfo[recv_len-1]);write(clnt_sock,(char*)&result,sizeof(result));close(clnt_sock);//当前客户端结束后关闭}close(serv_sock);return 0;
}int calculate(int opnum,int opnds[],char op){//功能函数int result=opnds[0],i;switch(op){case '+':for(i=1;i<opnum;i++) result+=opnds[i];break;case '-':for(i=1;i<opnum;i++) result-=opnds[i];break;case '*':for(i=1;i<opnum;i++) result*=opnds[i];break;}return result;
}void error_handling(const char*message){std::cout<<message<<std::endl;exit(1);
}

2.op_client.cpp

#include<iostream>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>#define BUF_SIZE 1024
#define RLT_SIZE 4
#define OPSZ 4void error_handling(const char *message);int main(int argc,char *argv[]){int sock;char opmsg[BUF_SIZE];int result,opnd_cnt,i;struct sockaddr_in serv_adr;if(argc!=3){std::cout<<"Usage:"<<argv[0]<<"<IP> <port>"<<std::endl;exit(1);}sock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sock==-1)error_handling("socket() error");memset(&serv_adr,0,sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family=AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));if(connect(sock,(struct sockaddr*)&serv_adr,sizeof(serv_adr))==-1)error_handling("connect() error");elsestd::cout<<"connect ......"<<std::endl;std::cout<<"Operand count: ";std::cin>>opnd_cnt;//获取运算个数opmsg[0]=(char)opnd_cnt;for(i=0;i<opnd_cnt;i++){std::cout<<"Operand "<<i+1<<": ";std::cin>>*(int*)&opmsg[i*OPSZ+1];std::cin.ignore();//相当于换行}std::cout<<"Opreator: ";std::cin>>opmsg[opnd_cnt*OPSZ+1];//输入运算符write(sock,opmsg,opnd_cnt*OPSZ+2);//传输给服务器端read(sock,&result,RLT_SIZE);std::cout<<"Operation result: "<<result<<std::endl;close(sock);return 0;
}void error_handling(const char *message){std::cout<<message<<std::endl;exit(1);
}