Android C++系列：Linux Socket编程（三）CS模型示例

1. TCP通信

下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程:

服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于 监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服 务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK 段，服务器收到后从accept()返回。

数据传输的过程:

建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是 由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，服务器从accept() 返回后立刻调用read()，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客户端调用write()发送请求给服务器，服务器收到后从read()返回，对客户端的请求进行处 理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答，服务器调用write()将处理结果发 回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求，客户端收到后从read()返回，发送下一 条请求，如此循环下去。

如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样， 服务器的read()返回0，这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close()关闭连接。注 意，任何一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果一方 调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接收对方发来的数据。

在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的:

• 应用程序调用某个 socket函数时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect()会发出SYN段
• 应用程序如何知 道TCP协议层的状态变化，比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段， 再比如read()返回0就表明收到了FIN段

1.1 server

下面通过最简单的客户端/服务器程序的实例来学习socket API。 server.c的作用是从客户端读字符，然后将每个字符转换为大写并回送给客户端。

/* server.c */
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <string.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include <arpa/inet.h>
#define MAXLINE 80 
#define SERV_PORT 8000
int main(void) {
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; socklen_t cliaddr_len;
    int listenfd, connfd;
    char buf[MAXLINE];
    char str[INET_ADDRSTRLEN]; int i, n;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); 
    servaddr.sin_family = AF_INET; 
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); 
    listen(listenfd, 20);
    printf("Accepting connections ...\n"); 
    while (1) {
        cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
        connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
        n = read(connfd, buf, MAXLINE); 
        printf("received from %s at PORT %d\n",inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cliaddr.sin_port));
        for (i = 0; i < n; i++) 
            buf[i] = toupper(buf[i]);
        write(connfd, buf, n);
        close(connfd); 
    }
}

1.2 client

client.c的作用是从命令行参数中获得一个字符串发给服务器，然后接收服务器返回的 字符串并打印。

/* client.c */
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <string.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <netinet/in.h>
#define MAXLINE 80 
#define SERV_PORT 8000
int main(int argc, char *argv[]) {
    struct sockaddr_in servaddr; 
    char buf[MAXLINE];
    int sockfd, n;
    char *str;
    if (argc != 2) {
        fputs("usage: ./client message\n", stderr); exit(1);
    }
    str = argv[1];
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); 
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); 
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    write(sockfd, str, strlen(str));
    n = read(sockfd, buf, MAXLINE); 
    printf("Response from server:\n"); write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    close(sockfd);
    return 0; 
}

由于客户端不需要固定的端口号，因此不必调用bind()，客户端的端口号由内核自动分配。注意，客户端不是不允许调用bind()，只是没有必要调用bind()固定一个端口号，服务器也不是必须调用bind()，但如果服务器不调用bind()，内核会自动给服务器分配监听端口，每次启动服务器时端口号都不一样，客户端要连接服务器就会遇到麻烦。 客户端和服务器启动后可以查看链接情况:

 netstat -apn|grep 8000

2. UDP

由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单了很多，但是UDP协议是不可靠的，实际上有很 多保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现。

编译运行server，在两个终端里各开一个client与server交互，看看server是否具有并 发服务的能力。用Ctrl+C关闭server，然后再运行server，看此时client还能否和server联 系上。和前面TCP程序的运行结果相比较，体会无连接的含义。

2.1 server

/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include "wrap.h"
#define MAXLINE 80 
#define SERV_PORT 8000
int main(void) {
    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; 
    socklen_t cliaddr_len;
    int sockfd;
    char buf[MAXLINE];
    char str[INET_ADDRSTRLEN]; 
    int i, n;
    sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); 
    servaddr.sin_family = AF_INET; 
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); 
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    Bind(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    printf("Accepting connections ...\n"); 
    while (1) {
        cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
        n = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len); 
        if (n == -1)
            perr_exit("recvfrom error"); 
        printf("received from %s at PORT %d\n",inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cliaddr.sin_port));
        for (i = 0; i < n; i++) 
            buf[i] = toupper(buf[i]);
        n = sendto(sockfd, buf, n, 0, (struct sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr)); 
        if (n == -1)
            perr_exit("sendto error");
    } 
}

2.2 client

/* client.c */
#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#include <unistd.h> 
#include <netinet/in.h> 
#include "wrap.h"
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 8000
int main(int argc, char *argv[]) {
    struct sockaddr_in servaddr; 
    int sockfd, n;
    char buf[MAXLINE];
    char str[INET_ADDRSTRLEN]; 
    socklen_t servaddr_len;
    sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); 
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); 
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
        n = sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); 
        if (n == -1)
            perr_exit("sendto error");
        n = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE, 0, NULL, 0); 
        if (n == -1)
            perr_exit("recvfrom error");
        Write(STDOUT_FILENO, buf, n); 
    }
    Close(sockfd);
    return 0; 
}

3. 总结

本文分别介绍了基于TCP和UDP的客户端和服务器的开发流程及对应实现。