计算机网络 | 基于TCP的C/S模型代码实现-Toy模板网

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计算机网络 | 基于TCP的C/S模型代码实现

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专栏：《网络编程》

C/S架构

在网络编程中，C/S架构是一个非常重要的概念。C指的是客户端软件，S指的是服务端软件。这种架构的优点是可以实现客户端和服务端之间的双向通信，缺点是需要在网络上进行传输，因此可能会受到网络环境的影响。
在C/S架构中，客户端和服务端之间通过网络进行通信。客户端向服务端发送请求，服务端处理请求并返回响应。这种通信方式可以用于各种应用程序，例如电子邮件、文件传输、远程控制等。
在C/S架构中，客户端和服务端之间使用TCP/IP协议进行通信。TCP/IP协议是一种可靠的协议，它可以确保数据在传输过程中不会丢失或损坏。此外，TCP/IP协议还提供了一种称为“三次握手”的过程，以确保客户端和服务端之间的连接是安全的。
在C/S架构中，客户端和服务端之间使用的数据格式通常是文本格式。这是因为文本格式易于阅读和理解，并且可以在不同的操作系统和编程语言之间进行转换。此外，文本格式还可以包含一些元数据，例如日期、时间和文件大小等信息。
总之，C/S架构是一种非常常见的网络编程模型，它可以用于各种应用程序。在C/S架构中，客户端和服务端之间通过网络进行通信，并使用TCP/IP协议和文本格式进行数据交换。

C/S模型流程

下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程：
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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。

server

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。

#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 6666

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);
	}
	return 0;
}

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。

#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 6666

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使用netstat命令查看链接情况：