项目框架（2）：Socket通讯的服务端类

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筋斗云
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一、创建socket

 二、TCP和UDP

1、TCP和UDP的区别

TCP

2、TCP保证自身可靠的方式

3、UDP不可靠的原因

4、TCP和UDP的使用场景

5、UDP能实现可靠传输吗？

 三、主机字节序与网络字节序

 四、网络通讯中的各种结构体

 1、sockaddr结构体

 2、sockaddr_in结构体

 3、gethostbyname函数（域名/主机名/字符串IP转大端序）

四、字符串IP与大端序IP的转换（只能字符串IP转大端序）

五、socket通信的服务端类

头文件.h

服务端初始化函数，连接客户端函数，获得客户端ip函数

收发数据

发送数据

接收数据

一、创建socket

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

成功返回一个有效的socket，失败返回-1，errno被设置

单个进程创建的socket数量受系统参数open files的限制。（ulimit -a查看）

 参数：

  • domain（通讯协议族）：PF_INET 为IPv4互联网协议族（常用）
  • type（数据传输类型）：

    • SOCK_STREAM 为面向连接的socket：1）数据不会丢失；2）数据的顺序不会错乱；3）双向通道。

    • SOCK_DGRAM为无连接的socket：1）数据可能会丢失；2）数据的顺序可能会错乱；3）传输的效率更高。

  • protocol（最终使用的协议）：

    • 在IPv4网络协议家族中，数据传输方式为SOCK_STREAM的协议只有IPPROTO_TCP，数据传输方式为SOCK_DGRAM的协议只有IPPROTO_UDP。

 例子：

socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

 二、TCP和UDP

1、TCP和UDP的区别

TCP

a）TCP面向连接，通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接；  面试的重点

b）TCP是可靠的通信方式，通过超时重传、数据校验等方式来确保数据无差错，不丢失，不重复，并且按序到达；

c）TCP把数据当成字节流，当网络出现波动时，连接可能出现响应延迟的问题；

d）TCP只支持点对点通信；

e）TCP报文的首部较大，为20字节；

f）TCP是全双工的可靠信道。

UDP

a）UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接，这种方式为UDP带来了高效的传输效率，但也导致无法确保数据的发送成功；

b）UDP以最大的速率进行传输，但不保证可靠交付，会出现丢失、重复等等问题；

c）UDP没有拥塞控制，当网络出现拥塞时，发送方不会降低发送速率；

d）UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的通信；

e）UDP报文的首部比较小，只有8字节；

f）UDP是不可靠信道。

2、TCP保证自身可靠的方式

a）数据分片：在发送端对用户数据进行分片，在接收端进行重组，由TCP确定分片的大小并控制分片和重组；

b）到达确认：接收端接收到分片数据时，根据分片的序号向对端回复一个确认包；

c）超时重发：发送方在发送分片后开始计时，若超时却没有收到对端的确认包，将会重发分片；

d）滑动窗口：TCP 中采用滑动窗口来进行传输控制，发送方可以通过滑动窗口的大小来确定应该发送多少字节的数据。当滑动窗口为 0 时，发送方不会再发送数据；

e）失序处理：TCP的接收端会把接收到的数据重新排序；

f）重复处理：如果传输的分片出现重复，TCP的接收端会丢弃重复的数据；

g）数据校验：TCP通过数据的检验和来判断数据在传输过程中是否正确。

3、UDP不可靠的原因

 没有上述TCP的机制，如果校验和出错，UDP会将该报文丢弃。

4、TCP和UDP的使用场景

TCP 使用场景

TCP实现了数据传输过程中的各种控制，适合对可靠性有要求的场景。

UDP 使用场景

可以容忍数据丢失的场景：

  1. 视频、音频等多媒体通信（即时通信）；
  2. 广播信息。

5、UDP能实现可靠传输吗？

 如果用UDP实现可靠传输，那么，应用程序必须实现重传和排序等功能，非常麻烦。

 三、主机字节序与网络字节序

  1. 大端序（Big Endian）：低位字节存放在高位，高位字节存放在低位。
  2. 小端序（Little Endia）：低位字节存放在低位，高位字节存放在高位。

 为了解决不同字节序的计算机之间传输数据的问题，约定采用网络字节序（大端序）。

C语言提供了四个库函数，用于在主机字节序和网络字节序之间转换：

uint16_t htons(uint16_t hostshort);   // uint16_t  2字节的整数 unsigned short

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);    // uint32_t  4字节的整数 unsigned int

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

h    host（主机）；

to  转换；

n    network（网络）；

s    short（2字节，16位的整数）；

l     long（4字节，32位的整数）

 在计算机中，IPv4的地址用4字节的整数存放，通讯端口用2字节的整数（0-65535）存放。

 四、网络通讯中的各种结构体

 1、sockaddr结构体

存放协议族、端口和地址信息，客户端的connect()和服务端的bind()需要这个结构体

struct sockaddr {

  unsigned short sa_family;     // 协议族，与socket()函数的第一个参数相同，填AF_INET。

  unsigned char sa_data[14];   // 14字节的端口和地址。

};

 2、sockaddr_in结构体

sockaddr结构体是为了统一地址结构的表示方法，统一接口函数，但是，操作不方便。

所以定义了等价的sockaddr_in结构体，它的大小与sockaddr相同，可以强制转换成sockaddr。

 struct sockaddr_in { 

  unsigned short sin_family;    // 协议族，与socket()函数的第一个参数相同，填AF_INET。

  unsigned short sin_port;       // 16位端口号，大端序。用htons(整数的端口)转换。

  struct in_addr sin_addr;        // IP地址的结构体。192.168.101.138

  unsigned char sin_zero[8];    // 未使用，为了保持与struct sockaddr一样的长度而添加。

};

struct in_addr {                  // IP地址的结构体。

  unsigned int s_addr;       // 32位的IP地址，大端序。

};

 3、gethostbyname函数（域名/主机名/字符串IP转大端序）

 根据域名/主机名/字符串IP获取大端序IP，用于网络通讯的客户端程序中。

struct hostent *gethostbyname(const char *name);

struct hostent {

  char *h_name;       // 主机名。

  char **h_aliases;    // 主机所有别名构成的字符串数组，同一IP可绑定多个域名。

  short h_addrtype;    // 主机IP地址的类型，例如IPV4（AF_INET）还是IPV6。

  short h_length;     // 主机IP地址长度，IPV4地址为4，IPV6地址则为16。

  char **h_addr_list;    // 主机的ip地址，以网络字节序存储。

};

#define h_addr h_addr_list[0] // for backward compatibility.

 转换后，用以下代码把大端序的地址复制到sockaddr_in结构体的sin_addr成员中。

memcpy(&servaddr.sin_addr,h->h_addr,h->h_length);

四、字符串IP与大端序IP的转换（只能字符串IP转大端序）

C语言提供了几个库函数，用于字符串格式的IP和大端序IP的互相转换，用于网络通讯的服务端程序中。

  • typedef unsigned int in_addr_t;    // 32位大端序的IP地址。

  • // 把字符串格式的IP转换成大端序的IP，转换后的IP赋给sockaddr_in.in_addr.s_addr。in_addr_t inet_addr(const char *cp);

  • // 把字符串格式的IP转换成大端序的IP，转换后的IP将填充到sockaddr_in.in_addr成员。

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp); 

  • // 把大端序IP转换成字符串格式的IP，用于在服务端程序中解析客户端的IP地址。char *inet_ntoa(struct in_addr in);

五、socket通信的服务端类

头文件.h

class ctcpserver { private:     int m_socklen; //结构体struct sockaddr_in的大小     struct sockaddr_in m_clientaddr; //客户端的地址信息     struct sockaddr_in m_servaddr;  //服务端的地址信息     int m_listenfd;  //服务端用于监听的socket     int m_connfd;  //客户端连接上来的socket public:     ctcpserver():m_listenfd(-1),m_connfd(-1){} //构造函数        // 服务端初始化。     // port：指定服务端用于监听的端口。     //backlog：设置监听sock的第二个参数。     // 返回值：true-成功；false-失败，一般情况下，只要port设置正确，没有被占用，初始化都会成功。     bool initserver(const unsigned int port,const int backlog=5);      // 从已连接队列中获取一个客户端连接，如果已连接队列为空，将阻塞等待。     // 返回值：true-成功的获取了一个客户端连接，false-失败，如果accept失败，可以重新accept。     bool accept();      //获取客户端的ip地址     // 返回值：客户端的ip地址，如"192.168.1.100"。     char *getip();      // 接收对端发送过来的数据。     // buffer：存放接收数据的缓冲区。     // ibuflen: 打算接收数据的大小。     // itimeout：等待数据的超时时间（秒）：-1-不等待；0-无限等待；>0-等待的秒数。     // 返回值：true-成功；false-失败，失败有两种情况：1）等待超时；2）socket连接已不可用。     bool read(string &buffer, const int itimeout=0);     bool read(Void *buffer,const int ibuflen,const int itimeout=0);      // 向对端发送数据。     // buffer：待发送数据缓冲区。     // ibuflen：待发送数据的大小。     // 返回值：true-成功；false-失败，如果失败，表示socket连接已不可用。     bool write(const string &buffer);                          // 发送文本数据。     bool write(const void *buffer,const int ibuflen);   // 发送二进制数据。      //关闭监听的socket，常用于多进程服务程序的子进程代码中。     void closelisten();      //关闭客户端的socket，常用于多进程服务程序的父进程代码中。     void closeclient();      ~ctcpserver();   // 析构函数自动关闭socket，释放资源。 }

服务端初始化函数，连接客户端函数，获得客户端ip函数

// 服务端初始化。 // port：指定服务端用于监听的端口。 //backlog：设置监听sock的第二个参数。 // 返回值：true-成功；false-失败，一般情况下，只要port设置正确，没有被占用，初始化都会成功。 bool ctcpserver::initserver(const unsigned int port,const int backlog) {     // 如果服务端的socket>0，关掉它     if(m_listenfd > 0){ ::close(m_listenfd); m_listenfd=-1;}          //创建监听的socket     if((m_listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<=0) return false;      // 忽略SIGPIPE信号，防止程序异常退出。     // 如果往已关闭的socket继续写数据，会产生SIGPIPE信号，它的缺省行为是终止程序，所以要忽略它。     signal(SIGPIPE,SIG_IGN);       // 打开SO_REUSEADDR选项，当服务端连接处于TIME_WAIT状态时可以再次启动服务器，     // 否则bind()可能会不成功，报：Address already in use。     int opt = 1;      setsockopt(m_listenfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));      memset(&m_servaddr,0,sizeof(m_servaddr));     m_servaddr.sin_family = AF_INET;     m_servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //任意IP地址     m_servaddr.sin_port = htons(port);     if(bind(m_listenfd,(struct sockaddr *)&m_servaddr,sizeof(m_servaddr)) != 0){         closelisten();return false;     }     if(listen(m_listenfd,backlog) != 0 ){         closelisten();return false;     }     return true; }   // 从已连接队列中获取一个客户端连接，如果已连接队列为空，将阻塞等待。 // 返回值：true-成功的获取了一个客户端连接，false-失败，如果accept失败，可以重新accept。  bool ctcpserver::accept() {     if(m_listenfd==-1) return false;          int m_socklen = sizeof(struct sockaddr_in);     if(m_connfd = ::accept(m_listenfd, (struct sockaddr *)&m_clientaddr,(socklen_t *)&m_socklen)) < 0)         return false;     return true; }   // 获取客户端的ip地址。 // 返回值：客户端的ip地址，如"192.168.1.100"。 char *ctcpserver::getip() {     return(inet_ntoa(m_clientaddr.sin_addr)); }

收发数据

收发数据设置超时时间，采用poll的超时机制。

tcp的发送和接收：

  • 发送：把数据放到tcp的发送缓冲区。
  • 接收：从tcp接收缓冲区中取数据。

分包和粘包：

  • 分包:tcp报文的大小缺省是1460 字节，如果发送缓冲区中的数据超过1460字节，tcp将拆分成多个包发送，如果接收方及时的从接收缓冲区中取走了数据，看上去像就接收到了多个报文
  • 粘包：tcp接收到数据之后，有序放在接收缓冲区中，数据之间不存在分隔符的说法，如果接收方没有及时的从缓冲区中取走数据看上去就象粘在了一起

同时为了避免出现TCP分包和粘包现象，发送文本数据时，使用报文长度(四字节整数)+报文内容来区分报文，eg:Hello world,先接收11，在接收Hello world。如果使用原生的send和recv函数，将发生分包和粘包的现象

发送数据

首先封装了原生send()函数为writen()函数

//send()函数：send函数的功能是把待发送的数据拷贝到发送缓冲区。 //          返回值是已拷贝的字节数，正常情况下，与待发送数据的字节数相同 //          如果发送缓冲区的空间不足，则返回本次已拷贝的字节数 //为了保证全部的数据被发送，应该循环调用send函数，直到全部的数据被发送完成。  // 向已经准备好的socket中写入数据。 // sockfd：已经准备好的socket连接。 // buffer：待发送数据缓冲区的地址。 // n：待发送数据的字节数。 // 返回值：成功发送完n字节的数据后返回true，socket连接不可用返回false。 bool writen(const int sockfd,const char *buffer,const size_t n) {     int nleft=n; //剩余需要写入的字节数     int idx=0; //已经写入的字节数     int nwritten; //每次调用send()函数写入的字节数          while(nleft > 0){         if((nwritten = send(sockfd, buffer+idex, nleft,0)) <= 0) return false;         nleft -= nwritten;         idx += nwritten;       }      return true; }

发送数据代码：

// 发送文本数据。 bool ctcpserver::write(const string &buffer) {     if (m_connfd==-1) return false;      return(tcpwrite(m_connfd,buffer)); }  // 发送二进制数据。 bool ctcpserver::write(const void *buffer,const int ibuflen) {     if (m_connfd==-1) return false;      return(tcpwrite(m_connfd,(char*)buffer,ibuflen)); }   // 向socket的对端发送数据。 // sockfd：可用的socket连接。 // buffer：待发送数据缓冲区的地址。 // ibuflen：待发送数据的字节数。 // 返回值：true-成功；false-失败，如果失败，表示socket连接已不可用。 bool tcpwrite(const int sockfd,const string &buffer);                             // 写入文本数据。 bool tcpwrite(const int sockfd,const void *buffer,const int ibuflen);      // 写入二进制数据。   // 发送文本数据。 bool tcpwrite(const int sockfd,const string &buffer)       {     if (sockfd==-1) return false;      int buflen=buffer.size();      //先发送报头     if(writen(sockfd, (char*)&buflen,4)==false)return false;      //再发送报文体     if(writen(sockfd, buffer.c_str(),buflen)==false)return false;          return true; }  bool tcpwrite(const int sockfd,const void *buffer,const int ibuflen)        // 发送二进制数据。 {     if (sockfd==-1) return false;      if (writen(sockfd,(char*)buffer,ibuflen) == false) return false;      return true; }

接收数据

首先封装了原生recv()函数为readn()函数：

// 从已经准备好的socket中读取数据。 // sockfd：已经准备好的socket连接。 // buffer：接收数据缓冲区的地址。 // n：本次接收数据的字节数。 // 返回值：成功接收到n字节的数据后返回true，socket连接不可用返回false。 bool readn(const int sockfd,char *buffer,const size_t n) {     int nleft=n;    // 剩余需要读取的字节数。     int idx=0;       // 已成功读取的字节数。     int nread;       // 每次调用recv()函数读到的字节数。      while(nleft > 0)     {         if ( (nread=recv(sockfd,buffer+idx,nleft,0)) <= 0) return false;          idx=idx+nread;         nleft=nleft-nread;     }      return true; }

接收数据代码：

// 接收文本数据。 bool ctcpserver::read(string &buffer,const int itimeout) {     if (m_connfd==-1) return false;      return(tcpread(m_connfd,buffer,itimeout)); }  // 接收二进制数据。 bool ctcpserver::read(void *buffer,const int ibuflen,const int itimeout) {     if (m_connfd==-1) return false;      return(tcpread(m_connfd,buffer,ibuflen,itimeout)); }  // 接收socket的对端发送过来的数据。 // sockfd：可用的socket连接。 // buffer：接收数据缓冲区的地址。 // ibuflen：本次成功接收数据的字节数。 // itimeout：读取数据超时的时间，单位：秒，-1-不等待；0-无限等待；>0-等待的秒数。 // 返回值：true-成功；false-失败，失败有两种情况：1）等待超时；2）socket连接已不可用。 bool tcpread(const int sockfd,string &buffer,const int itimeout=0);// 读取文本数据。 bool tcpread(const int sockfd,void *buffer,const int ibuflen,const int itimeout=0); // 读取二进制数据。   // 接收文本数据。 bool tcpread(const int sockfd,string &buffer,const int itimeout)    // 接收文本数据。 {     if(socket==-1) return false;      //如果itimeout>0, 表示等待itimeout秒，如果itimeout秒后接收缓冲区中还没有数据，返回false     if(itimeout>0){         //利用了poll的超时机制,poll会阻塞等待sockfd接收缓冲区事件，接收缓冲区有数据了，则唤醒sockfd读数据         struct pollfd fds;          fds.fd=sockfd;         fds.events=POLLIN;         if( poll(&fds, 1, itimeout*1000) <= 0) return false;     }      // 如果itimeout==-1，表示不等待，立即判断socket的接收缓冲区中是否有数据，如果没有，返回false。     if (itimeout==-1)     {         struct pollfd fds;         fds.fd=sockfd;         fds.events=POLLIN;         if ( poll(&fds,1,0) <= 0 ) return false;     }          //下面处理避免粘包     int buflen=0;     //先读取报文长度，4个字节     if(readn(sockfd,(char*)&buflen,4)==false)return false;     // 设置buffer的大小。     buffer.resize(buflen);     // 再读取报文内容。     if(readn(sockfd,&buffer[0],buflen) == false) return false;     return; }   // 接收二进制数据。 bool tcpread(const int sockfd,void *buffer,const int ibuflen,const int itimeout) {     if (sockfd==-1) return false;      // 如果itimeout>0，表示需要等待itimeout秒，如果itimeout秒后还没有数据到达，返回false。     if (itimeout>0)     {         struct pollfd fds;         fds.fd=sockfd;         fds.events=POLLIN;         if ( poll(&fds,1,itimeout*1000) <= 0 ) return false;     }      // 如果itimeout==-1，表示不等待，立即判断socket的缓冲区中是否有数据，如果没有，返回false。     if (itimeout==-1)     {         struct pollfd fds;         fds.fd=sockfd;         fds.events=POLLIN;         if ( poll(&fds,1,0) <= 0 ) return false;     }      // 读取报文内容。     if (readn(sockfd,(char*)buffer,ibuflen) == false) return false;      return true; }
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