Linux下套接字TCP實現網絡通信

1.引言

? 套接字(Socket)是計算機網絡中實現網絡通信的一種編程接口。它提供了應用程序與網絡通信之間的一座橋梁，因為它允許應用程序通過網絡發(fā)送和接收相應的數據以實現不同主機之間的通信。

通常套接字由以下兩部分組成：

1.網絡IP和端口號：IP用來標識主機，而端口號可以標識到單臺主機的唯一進程。

2.通信協(xié)議：套接字通過規(guī)定通信協(xié)議來制定數據傳輸和發(fā)送的規(guī)則。常見的有TCP和UDP等協(xié)議。

TCP是一種面向連接的協(xié)議，提供可靠的、有序的、基于字節(jié)流的數據傳輸。

UDP是一種無連接的協(xié)議，提供不可靠的、無序的、基于數據報的數據傳輸。

? 今天我們來學習TCP實現網絡通信。TCP由于能提供可靠、基于字節(jié)流的數據傳輸，使用率與使用場景也比UDP多很多。

我們來看看能實現出什么樣的結果(聊天室模擬兩個用戶隨機通信)：

若不開啟服務端就只開啟客戶端的話，那么就會像打游戲的某些情況連不上：

當服務端和客戶端都開啟后就可以正常通信了：

這里我們還是通過客戶端給服務器端發(fā)送消息，通過TCP鏈接實現通信。

那么事不宜遲，我們馬上開始分享實現過程吧！

2.具體實現

2.1接口介紹

1.socket()

? socket函數是用于創(chuàng)建套接字的函數，創(chuàng)建成功返回文件描述符fd，失敗返回-1；

int socket(int domain, int type, int protocol);

? 參數說明：

• domain

  ：指定套接字的地址族（Address Family）

  今天我們選擇：

  • AF_INET：IPv4 地址族

• type

  ：指定套接字的類型（Socket Type）

  今天我們選擇：

  • SOCK_STREAM：有連接的字節(jié)流套接字，用于TCP協(xié)議

• protocol

  ：可選參數，指定具體的傳輸協(xié)議。常用的有：

  ? 今天我們選擇：

  • 0：自動選擇合適的協(xié)議

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2.bind()

? 在Linux下，bind() 函數用于將一個套接字（socket）與特定的IP地址和端口號進行綁定。

*int bind(int sockfd, const struct sockaddr addr,socklen_t addrlen);

參數說明：

• sockfd：要進行綁定的套接字的文件描述符。
• addr：指向一個 struct sockaddr 結構體的指針，其中包含要綁定的IP地址和端口號信息。
• addrlen：addr 結構體的長度。

在綁定bind的第二個參數中，我們也需要用到庫中定義好的sockaddr_in結構體來初始化！

具體結構體struct sockaddr_in說明:

結構體中有三個值也需要初始化指定一下：

1. sin_family：表示地址族（Address Family），一般為 AF_INET。

2. sin_port：表示端口號。它是一個 16 位的整數，使用網絡字節(jié)序（大端字節(jié)序）表示。在使用時，通常需要使用 htons() 函數將主機字節(jié)序轉換為網絡字節(jié)序。

3. sin_addr：表示 IPv4 地址。它是一個 struct in_addr 類型的結構體，用于存儲 32 位的 IPv4 地址。

   一般服務端用INADDR_ANY,讓udp_server在啟動時候可以綁定任何ip.

   ? 客戶端用inet_addr函數將字符串轉化成32位無符號整數

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3.listen()

? listen()函數：將套接字設置為監(jiān)聽狀態(tài)，等待連接請求。

參數：

• sockfd：套接字的文件描述符。這里我們選擇前面socket創(chuàng)建好的返回值.
• backlog：指定等待連接隊列的最大長度。一般不會太大，我們這里寫32即可。

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4.accept()

accept() 函數：接受客戶端的連接請求，創(chuàng)建一個新的套接字用于與客戶端進行通信。

參數：

• sockfd：套接字的文件描述符。這里我們選擇前面socket創(chuàng)建好的返回值.
• addr：指向客戶端地址的結構體指針。創(chuàng)建一個sockaddr的結構體強轉一下(struct sockaddr*)即可。
• addrlen：客戶端地址結構體的字節(jié)大小。創(chuàng)建一個socklen_t類型的值用來計算結構體大小。

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5.connect()

connect() 函數：發(fā)起與遠程主機建立TCP連接的請求。

參數：

• sockfd：套接字的文件描述符。這里我們選擇前面socket創(chuàng)建好的返回值.
• addr：指向遠程主機地址的結構體指針。創(chuàng)建一個sockaddr的結構體強轉一下(struct sockaddr*)即可。
• addrlen：遠程主機地址結構體的字節(jié)大小。創(chuàng)建一個socklen_t類型的值用來計算結構體大小。

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2.2 服務器端server.hpp

在整個服務器端server.hpp中，我們需要創(chuàng)建tcpServer類，并在類中建立這些成員：監(jiān)聽套接字、端口號等.

在類中我們還需要初始化服務器InitServer()和啟動服務器Start()兩個接口。

服務器端具體實現思路是：我們創(chuàng)建套接字socket()后開始綁定bind()，之后監(jiān)聽listen(),監(jiān)聽成功后我們獲取鏈接accept()即可。

思路簡單,但是實現還需要很多事完成:

static const uint16_t defaultport = 8081;
static const int backlog = 32;
using func_t = std::function<std::string(const std::string&)>;class tcpServer
{public:tcpServer(func_t func,uint16_t port = defaultport):_func(func),_port(port),_quit(true){}~tcpServer() {}void InitServer(){//1.創(chuàng)建套接字_listensock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_listensock < 0){std::cerr << "create socket error" << std::endl;exit(-1);}//2.綁定struct sockaddr_in local;memset(&local,0,sizeof(local)); //清空結構體local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);    //主機轉網絡local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);if(bind(_listensock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local)) < 0){std::cerr << "bind error" << std::endl;exit(-2);}//3.監(jiān)聽(tcp)if(listen(_listensock,backlog) < 0){std::cerr <<" listen error" << std::endl;exit(-3);}}void Start(){_quit = false; //運行時設置位運行狀態(tài)，即不退出的狀態(tài)while(!_quit) //服務器死循環(huán){struct sockaddr_in client;socklen_t len = sizeof(client);//4.獲取鏈接acceptint sock = accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);if(sock < 0) {std::cerr <<"accept error " <<std::endl;continue;} //攬客的sock失敗后繼續(xù)即可//5.獲取鏈接成功std::cout<< "獲取鏈接成功" << sock << " from " << _listensock <<  std::endl;service(sock);}}void service(int sock) //服務{char buffer[1024];while(true){ssize_t s = read(sock,buffer,sizeof(buffer)-1);if(s > 0) //代表成功讀取{buffer[s] = 0;std::string res = _func(buffer); //回調顯示std::cout<< res <<std::endl;write(sock,res.c_str(),res.size());}else if(s == 0) //代表讀到文件結尾 在網絡中就相當于對方關閉鏈接{close(sock);std::cout << "quit" <<std::endl;break;}else //文件讀取失敗{close(sock);std::cerr << " read error" <<std::endl;break;}}}private:uint16_t _port; //端口號int _listensock; //監(jiān)聽套接字bool _quit; //代表服務器沒有運行的狀態(tài)func_t _func; //回調包裝器，為了后面輸出后回顯
};

2.3服務端server.cc

在服務端的主文件中，我們直接包含上面的頭文件。

我們期望的用法是：./tcp_server port，代表運行可執(zhí)行文件后面需要帶一個參數：端口號

所以我們能夠從用戶中輸入的port，通過main函數中的**char* argv[]**參數列表中獲取到。并傳給tcpSercer類中初始化與啟動服務器即可。

#include "server.hpp"
#include<memory>
using namespace std;static void usage(string proc) //使用手冊，代表運行可執(zhí)行文件后面需要帶一個參數：端口號
{std::cout << "Usage:\n\t" << proc << "port\n" <<std::endl;}std::string echo(const std::string& message)//輸出回顯
{return message;
}//期望用法：./tcp_server port
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc != 2) //輸入的不是兩個參數，說明你不會用。輸出使用手冊{usage(argv[0]);exit(-1);}uint16_t port = atoi(argv[1]); //強轉成能夠使用的類型unique_ptr<tcpServer> ts(new tcpServer(echo,port));//采用智能指針創(chuàng)建釋放資源ts->InitServer();ts->Start();return 0;
}

2.4客戶端client.cc

在客戶端中我們conncet嘗試鏈接到服務器端，這里需要做一個重連反饋：正在嘗試重連…

我們期望運行格式：./client serverip serverport，代表運行可執(zhí)行文件后需要兩個參數：IP和端口

我們從用戶輸入的兩個參數中傳給main,并通過main參數char* argv[]參數列表獲取到，之后獲取到直接轉化即可。

static void usage(string proc)
{std::cout << "Usage:\n\t" << proc << "serverip serverport\n" <<std::endl;}
//期望使用：./client serverip serverport 
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc != 3){usage(argv[0]);exit(-2);}string serverip = argv[1]; //獲取到參數uint16_t port = atoi(argv[2]);//1.創(chuàng)捷套接字int sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sock < 0){std::cerr << " socket error" <<std::endl;exit(-1);}//2.客戶端需要鏈接服務器 --connectstruct sockaddr_in server; //memset(&server,0,sizeof(server)); //清空結構體server.sin_family = AF_INET;//初始化結構體server.sin_port = htons(port);//server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str()); //客戶端inet_aton(serverip.c_str(),&(server.sin_addr));int cnt = 5;while(connect(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server)) != 0) //如果綁定失敗{sleep(1);std::cout<<"正在嘗試重連... 重連次數：" <<cnt-- <<std::endl;if(cnt <= 0) break;}    if(cnt <= 0){cerr<< "服務器連接失敗"<<endl;exit(-1);}//3.連接成功while(true) //連接成功后從客戶端直接輸入發(fā)送數據{string line;char buffer[1024];cout<<"Enter>> "; getline(cin,line);write(sock,line.c_str(),line.size()); //給緩沖區(qū)寫數據ssize_t s = read(sock,buffer,sizeof(buffer) -1);if(s > 0)//正常寫{buffer[s] = 0;cout<< " server rcho >>>" <<buffer <<endl;}else if(s == 0) //寫結束{cerr << "server quit" <<endl;break;}else{ //異常cerr<< " read error " <<endl;break;}}close(sock);//關閉套接字，管不管都可以return 0;
}

最后運行之后就能獲得我們之前通信的結果了：