网络编程-一个简单的echo程序(0)

前言

在上一篇《网络编程-从TCP连接的建立说起》中简单介绍了TCP连接的建立,本文暂时先抛开TCP更加详细的介绍,来看看如何实现一个简单的网络程序。

一个简单的echo程序

本文以及后续文章都将会围绕该程序进行介绍。程序大体流程如下:

echo程序

首先启动服务端,客户端通过TCP的三次握手与服务端建立连接;而后,客户端发送一段字符串,服务端收到字符串后,原封不动的发回给客户端。

我们先将代码呈现,后面再进行更加详细的解释。
客户端代码client.c如下:

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//client.c
//来源:公众号【编程珠玑】网站:https://www.yanbinghu.com
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#define MAXLINE 128
int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd; //连接描述符
struct sockaddr_in servaddr;//socket结构信息
char sendMsg[MAXLINE] = {0};
char recvMsg[MAXLINE] = {0};
//检查参数数量
if (argc < 2)
{
printf("usage: ./client ip port\n");
return -1;
}
//初始化结构体
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
//指定协议族
servaddr.sin_family = AF_INET;
//第一个参数为ip地址,需要把ip地址转换为sin_addr类型
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);
//第二个参数为端口号
servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(-1 == sockfd)
{
perror("socket error");
return -1;
}
//连接服务器,如果非0,则连接失败
if(0 != connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)))
{
perror("connect failed");
return -1;
}
//从控制台读取消息
if(NULL !=fgets(sendMsg,MAXLINE,stdin))
{
write(sockfd, sendMsg, strlen(sendMsg));
}
if(0 != read(sockfd, recvMsg, MAXLINE))
{
printf("recv msg:%s\n",recvMsg);
}
close(sockfd);
return 0;
}

服务端代码server.c如下:

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//server.c
//来源:公众号【编程珠玑】网站:https://www.yanbinghu.com
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#define SERV_PORT 1234
#define MAXLINE 128
int main(int argc, char **argv)
{
int listenfd = 0;//监听描述符
int connfd = 0; //已连接描述符
socklen_t clilen;
char recvMsg[MAXLINE] = {0};
//服务器和客户端socket信息
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;
char ip[MAXLINE] = {0};
//初始化服务端socket信息
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
//如果输入ip和端口,使用输入的ip和端口
if(3 == argc)
{
inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
}
else
{
//使用默认的ip和port
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
}
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(-1 == listenfd)
{
perror("socket error");
return -1;
}
//绑定指定ip和端口
if(0 != bind(listenfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr)))
{
perror("bind error");
return -1;
}
printf("start server at %s:%d\n",inet_ntop(AF_INET,&servaddr.sin_addr,ip,MAXLINE),ntohs(servaddr.sin_port));
listen(listenfd, 4);
//处理来自客户端的连接
clilen = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);
if(-1 == connfd)
{
perror("accept failed");
return -1;
}
printf("connect from %s %d\n",inet_ntop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr,ip,MAXLINE),ntohs(cliaddr.sin_port));
//读取客户端发送的消息
if(0 != read(connfd, recvMsg, MAXLINE))
{
printf("recv msg:%s\n",recvMsg);
}
//将读取内容原封不动地发送回去
write(connfd, recvMsg, MAXLINE);
close(connfd);
close(listenfd);
return 0;
}

编译运行

编译客户端服务端代码:

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$ gcc -o client client.c
$ gcc -o server server.c

在两个终端分别运行server和client。

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$ ./server
start server at 0.0.0.0:1234

运行客户端,并输入内容:

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$ ./client 127.0.0.1 1234
hello 编程珠玑

服务端最终打印:

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start server at 0.0.0.0:1234
connect from 127.0.0.1 47536
recv msg:hello 编程珠玑

客户端最终打印:

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hello 编程珠玑
recv msg:hello 编程珠玑

从运行结果可以看到,客户端连接到服务端后,发送一段字符串“hello 编程珠玑”后,服务端返回同样的字符串,达到了我们想要的目的。当然代码里有很多地方还需要完善,但这不影响我们对网络编程的学习。

整体流程说明

整体流程可结合下图来理解:

TCP三次握手
TCP的三次握手,我们在《网络编程-从TCP连接的建立说起》中就已经介绍了。在图中,标示了在调用某些接口后的状态。例如,服务端在调用socket,bind,listen等函数后,处于LISTEN状态;客户端调用connect函数并返回后,完成三次握手,客户端与服务端都处于ESTABLISHED状态。

这些状态我们是可以观察到的,首先在一个终端启动服务器:

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$ ./server
start server at 0.0.0.0:1234

在另外一个终端使用netstat命令(或使用ss命令)观察:

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$ netstat -anp |grep :1234
tcp 0 0 0.0.0.0:1234 0.0.0.0:* LISTEN 17730/server

netstat命令的使用可参考netstat命令详解,可以看到server程序当前处于LISTEN状态。

而如果客户端进行连接后再观察会发现:

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$ netstat -anp |grep :1234
tcp 0 0 0.0.0.0:1234 0.0.0.0:* LISTEN 17730/server
tcp 0 0 127.0.0.1:48094 127.0.0.1:1234 ESTABLISHED 17957/client
tcp 0 0 127.0.0.1:1234 127.0.0.1:48094 ESTABLISHED 17730/server

从结果中看到,客户端此时处于ESTABLISHED状态,而服务端有一条连接处于ESTABLISHED,还有一条处于LISTEN状态,这是为何呢?我们后面再解释。
由于三次握手的过程非常快,其他的状态我们不是很方便能观察到。

那么结合代码,整个流程又是怎样的呢?请看下图:

客户端-服务端

在弄清楚图中的接口含义之前,实际上你可以认为客户端连接服务器的整个过程你可以看成是这样的:

  • 服务端准备(socket,bind,listen,accept等待客户端)
  • 客户端准备(socket)
  • 客户端连接(connect)
  • 服务端收到客户端的连接(accept返回),客户端连接成功,connect返回
  • 客户端发送数据(write)
  • 服务端接收数据(read),随后又将原数据发回(write)
  • 客户端收到来自服务端的数据(read)

当然了,我们需要注意到的是:

  • 服务端在accept阻塞的过程中,处于LISTEN状态
  • 客户端在connect返回之后完成TCP的三次握手
  • 三次握手完成后,客户端与服务端处于ESTABLISHED状态
  • 服务端始终有一个处于LISTEN状态

不要着急,对于图中所提到的接口和数据结构的介绍和使用说明都会在后面进行详细介绍。

小结

看到这里,想必你对我们的echo程序的整体已经有了大致的了解。在对这些接口和数据结构进行详细介绍之前,你可以将代码复制并进行编译运行,观察文中提到的内容。

问题

  • TCP的三次握手发生在哪个阶段
  • 客户端为什么不需要bind
  • 多个客户端尝试连接会出现什么
  • 客户端的端口是多少,是如何获取的
  • 启动一个server之后,再启动一个会发生什么
  • htons的作用是什么
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