TCP通信程序设计

TCP/IP通信程序设计

1、实验目的

初步掌握C 语言TCP/IP 通信程序的设计。

2、实验环境

1、Windows 2000/NT/XP操作系统。

2、TCP/IP协议。

3、编程工具：Microsoft Visual C++ 2005。

3、相关知识

3.1 TCP/IP协议族

表1 TCP/IP协议族

应用层（FTP, DNS, HTTP, TELNET, SMTP等）

TCP

ICMP IGMP

IP

ARP RARP

网络接口层

UDP

TCP具有以下特点：

1、面向连接。端到端的TCP连接会关注连接的状态，而网络的中间路由器只关心IP分组的转发。

2、可靠数据传递。TCP使用顺序号、采用直接应答方式，并在必要时通过重传来保证发自源端的数据能成功地被传递到目的地。

3、流量控制。接收方向发送方发送一个接收窗口值，告诉发送方接收方能够处理多少数据。在收到接收方发来的应答前，TCP发送方最多只能发送等于该窗口值的数据量。

4、拥塞控制。用于防止TCP发送方发送的信息量超过网络中链路或路由器的最大处理能力。

流量控制和拥塞控制结合起来，使得TCP主机能迅速而公平地调整其发送速率，1/19

以达到与网络及接收方的处理能力相匹配。

3.2 端口与Socket

在进程通信的意义上，网络通信的最终地址不仅网络层提供的IP地址，还应包括描述进程的协议端口（protocol port）。若没有端口，传输层就无法知道数据应当交付给应用层的哪个进程。因此，端口标示了应用层的进程。

TCP和UDP分别提供了216个不同的端口值。端口分为两类：

1、周知端口（well-know port），其值为0-1023，由ICANN负责分配（见RFC

1700）。其中TCP和UDP均规定小于256的端口作为保留端口。

2、临时端口，也称本地分配。进程需要访问传输服务时，向本地操作系统提出动态申请，操作系统返回一个本地唯一的端口号，进程通过合适的系统调用将自己和相应的端口号联系起来。

Socket由4BSD UNIX首先提出，目的是解决网络通信问题。Socket的英文原义是“插座”，Socket与电话交换机的插座非常类似，进程通信前，双方各创建一个端点，每一个Socket有一个本地唯一的Socket号，由操作系统分配。Socket与IP地址、IP地址的关系如图1所示。

IP地址202.114.22.9端口号8080 202.114.22.9 8080Socket

图1 Socket与IP地址、端口号

由于TCP面向连接的特性，如果多台主机或一台主机的多个进程连接同一台服务器，则必须创建多个连接，如图2所示。

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端口8080112.113.111.16端口8084连接1端口8080202.113.121.168连接2接连端口80803112.113.111.16

图2 与同一台主机建立三个连接

TCP/IP标准指定了一个概念层接口，包含了一系列过程和函数。标准建议了每个过程和函数所需要的参数及其所执行操作的语义，但没有进一步指定数据表示的细节。详细的接口通常由操作系统来定义，只要完成TCP/IP标准中的功能，可以有不同的细节选择。这样，不同的操作系统的应用程序编程接口是各不相同的。例如，广泛使用的Berkeley Software Distribution UNIX的Socket接口、Windows的接口定义Winsock、System V的接口定义TLI接口等。

3.3 Socket的操作方式

Socket有两种主要的操作方式：面向连接和面向无连接。面向连接的BSD UNIX

Socket的工作流程如图3所示，而面向无连接的BSD UNIX Socket的工作流程如图4所示。

到底用哪种模式是由应用程序的需要决定的。如果要求可靠性，用面向连接的操作就会好一些。对于面向无连接的C/S模式，Socket不需要连接目的地的Socket，

它只是简单地投出数据报。无连接的操作简单高效，但数据的安全性不佳。

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服务器socket()bind()listen()客户机accept()阻塞，等待客户连接请求建立连接connect()read()处理请求write()应答数据read()请求数据write()socket()close()close()

图3 面向连接的C/S时序图

服务器socket()bind()客户机listen()阻塞，等待客户连接请求建立连接connect()read()处理请求write()应答数据read()请求数据write()socket()close()close()

图4 面向无连接的C/S时序图

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4、TCP通信程序设计

4.1 编程要点

由于TCP协议要求服务器和客户端建立连接，所以服务器需要通过Listen方法监听客户端的请求。当客户端发出连接请求后，服务器在ConnectionRequest事件中调用Accept方法接受请求，从而与客户端建立连接。

只有双方建立连接后，才能进行数据的收发。如果在通信过程中任一方断开连接，则通信过程终止。

4.2 客户端程序

客户端程序遵循以下步骤：

1）建立客户端Socket连接。

2）得到Socket读和写的流。

3）操作流。

4）关闭流。

5）关闭Socket。

客户端的源程序代码如下：

// Module Name: Client.c

//

// Description:

// This sample is the echo client. It connects to the TCP server,

// sends data, and reads data back from the server.

//

// Compile:

// cl -o Client Client.c ws2_

//

// Command Line Options:

// client [-p:x] [-s:IP] [-n:x] [-o]

// -p:x Remote port to send to

// -s:IP Server's IP address or hostname

// -n:x Number of times to send message

// -o Send messages only; don't receive

//

#include

5/19

#include

#include

#pragma comment(lib,"ws2_32")

#define DEFAULT_COUNT 20

#define DEFAULT_PORT 5150

#define DEFAULT_BUFFER 2048

#define DEFAULT_MESSAGE "This is a test of the emergency

broadcasting system"

char szServer[128], // Server to connect to

szMessage[1024]; // Message to send to sever

int iPort = DEFAULT_PORT; // Port on server to connect to

DWORD dwCount = DEFAULT_COUNT; // Number of times to send message

BOOL bSendOnly = FALSE; // Send data only; don't receive

//

// Function: usage:

//

// Description:

// Print usage information and exit

//

void usage()

{

printf("usage: client [-p:x] [-s:IP] [-n:x] [-o]nn");

printf(" -p:x Remote port to send ton");

printf(" -s:IP Server's IP address or hostnamen");

printf(" -n:x Number of times to send messagen");

printf(" -o Send messages only; don't receiven");

ExitProcess(1);

}

//

// Function: ValidateArgs

//

// Description:

// Parse the command line arguments, and set some global flags

// to indicate what actions to perform

//

void ValidateArgs(int argc, char **argv)

{

6/19

int i;

for(i = 1; i < argc; i++)

{

if ((argv[i][0] == '-') || (argv[i][0] == '/'))

{

switch (tolower(argv[i][1]))

{

case 'p': // Remote port

if (strlen(argv[i]) > 3)

iPort = atoi(&argv[i][3]);

break;

case 's': // Server

if (strlen(argv[i]) > 3)

strcpy(szServer, &argv[i][3]);

break;

case 'n': // Number of times to send message

if (strlen(argv[i]) > 3)

dwCount = atol(&argv[i][3]);

break;

case 'o': // Only send message; don't receive

bSendOnly = TRUE;

break;

default:

usage();

break;

}

}

}

}

//

// Function: main

//

// Description:

// Main thread of execution. Initialize Winsock, parse the

// command line arguments, create a socket, connect to the

// server, and then send and receive data.

//

int main(int argc, char **argv)

{

WSADATA wsd;

7/19

SOCKET sClient;

char szBuffer[DEFAULT_BUFFER];

int ret,

i;

struct sockaddr_in server;

struct hostent *host = NULL;

// Parse the command line and load Winsock

//

ValidateArgs(argc, argv);

if (WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsd) != 0)

{

printf("Failed to load Winsock library!n");

return 1;

}

strcpy(szMessage, DEFAULT_MESSAGE);

//

// Create the socket, and attempt to connect to the server

//

sClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

if (sClient == INVALID_SOCKET)

{

printf("socket() failed: %dn", WSAGetLastError());

return 1;

}

_family = AF_INET;

_port = htons(iPort);

_addr.s_addr = inet_addr(szServer);

//

// If the supplied server address wasn't in the form

// "" it's a hostname, so try to resolve it

//

if (_addr.s_addr == INADDR_NONE)

{

host = gethostbyname(szServer);

if (host == NULL)

{

printf("Unable to resolve server: %sn", szServer);

return 1;

}

CopyMemory(&_addr, host->h_addr_list[0],

host->h_length);

8/19

}

if (connect(sClient, (struct sockaddr *)&server,

sizeof(server)) == SOCKET_ERROR)

{

printf("connect() failed: %dn", WSAGetLastError());

return 1;

}

// Send and receive data

//

for(i = 0; i < dwCount; i++)

{

ret = send(sClient, szMessage, strlen(szMessage), 0);

if (ret == 0)

break;

else if (ret == SOCKET_ERROR)

{

printf("send() failed: %dn", WSAGetLastError());

break;

}

printf("Send %d bytesn", ret);

if (!bSendOnly)

{

ret = recv(sClient, szBuffer, DEFAULT_BUFFER, 0);

if (ret == 0) // Graceful close

break;

else if (ret == SOCKET_ERROR)

{

printf("recv() failed: %dn", WSAGetLastError());

break;

}

szBuffer[ret] = '0';

printf("RECV [%d bytes]: '%s'n", ret, szBuffer);

}

}

closesocket(sClient);

WSACleanup();

return 0;

}

下面解释与TCP套接字编程相关的内容。

1、加载Winsock库

9/19

WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsd);

其中，第一个参数是Winsock的版本2.2，第二个参数接受返回的库版本信息。

2、创建套接字

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

该调用要接收三个参数：af、type、protocol。参数af指定通信发生的区域，UNIX系统支持的地址族有：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中仅支持AF_INET，它是网际网区域。因此，地址族与协议族相同。参数type 描述要建立的套接字的类型。参数protocol说明该套接字使用的特定协议，如果调用者不希望特别指定使用的协议，则置为0，使用默认的连接模式。根据这三个参数建立一个套接字，并将相应的资源分配给它，同时返回一个整型套接字号。因此，socket()系统调用实际上指定了相关五元组中的“协议”这一元。

3、建立套接字连接

connect()用于建立连接。无连接的套接字进程也可以调用connect()，但这时在进程之间没有实际的报文交换，调用将从本地操作系统直接返回。这样做的优点是程序员不必为每一数据指定目的地址，而且如果收到的一个数据报，其目的端口未与任何套接字建立“连接”，便能判断该端口不可操作。

connect()的调用格式如下：

connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

参数s是欲建立连接的本地套接字描述符。参数name指出说明对方套接字地址结构的指针。对方套接字地址长度由namelen说明。

如果没有错误发生，connect()返回0。否则返回SOCKET_ERROR。在面向连接的协议中，该调用导致本地系统和外部系统之间连接实际建立。

由于地址族总被包含在套接字地址结构的前两个字节中，并通过socket()调用与某个协议族相关。因此bind()和connect()无须协议作为参数。

4、数据传输 - send()与recv()

当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和recv()。

send()调用用于在参数s指定的已连接的数据报或流套接字上发送输出数据，格式如下：

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send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

参数s为已连接的本地套接字描述符。buf 指向存有发送数据的缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否发送带外数据等。如果没有错误发生，send()返回总共发送的字节数。否则它返回SOCKET_ERROR。

recv()调用用于在参数s指定的已连接的数据报或流套接字上接收输入数据，格式如下：

recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

参数s 为已连接的套接字描述符。buf指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由len 指定。flags 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。如果没有错误发生，recv()返回总共接收的字节数。如果连接被关闭，返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

5、关闭套接字 - closesocket()

closesocket()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。closesocket()的调用格式如下：

closesocket(SOCKET s);

参数s待关闭的套接字描述符。如果没有错误发生，closesocket()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。

4.3 服务器端程序

服务器端程序遵循以下基本步骤：

1）建立一个服务器Socket并开始监听。

2）使用accept()取得新的连接。

3）建立输入和输出流。

4）在已有的协议上产生会话。

5）关闭客户端流和Socket。

6）关闭服务器Socket。

服务器的处理过程是并发的，它为每个客户请求分配一个线程，而不是来一个处理一个。所以看起来它在同时处理多个请求。

服务器端的源程序代码如下：

11/19

// Module Name: Server.c

//

// Description:

// This example illustrates a simple TCP server that accepts

// incoming client connections. Once a client connection is

// established, a thread is spawned to read data from the

// client and echo it back (if the echo option is not

// disabled).

//

// Compile:

// cl -o Server Server.c ws2_

//

// Command line options:

// server [-p:x] [-i:IP] [-o]

// -p:x Port number to listen on

// -i:str Interface to listen on

// -o Receive only, don't echo the data back

//

#include

#include

#include

#pragma comment(lib,"ws2_32")

#define DEFAULT_PORT 5150

#define DEFAULT_BUFFER 4096

int iPort = DEFAULT_PORT; // Port to listen for clients on

BOOL bInterface = FALSE, // Listen on the specified interface

bRecvOnly = FALSE; // Receive data only; don't echo back

char szAddress[128]; // Interface to listen for clients on

//

// Function: usage

//

// Description:

// Print usage information and exit

//

void usage()

{

printf("usage: server [-p:x] [-i:IP] [-o]nn");

12/19

printf(" -p:x Port number to listen onn");

printf(" -i:str Interface to listen onn");

printf(" -o Don't echo the data backnn");

ExitProcess(1);

}

//

// Function: ValidateArgs

//

// Description:

// Parse the command line arguments, and set some global flags

// to indicate what actions to perform

//

void ValidateArgs(int argc, char **argv)

{

int i;

for(i = 1; i < argc; i++)

{

if ((argv[i][0] == '-') || (argv[i][0] == '/'))

{

switch (tolower(argv[i][1]))

{

case 'p':

iPort = atoi(&argv[i][3]);

break;

case 'i':

bInterface = TRUE;

if (strlen(argv[i]) > 3)

strcpy(szAddress, &argv[i][3]);

break;

case 'o':

bRecvOnly = TRUE;

break;

default:

usage();

break;

}

}

}

}

13/19

//

// Function: ClientThread

//

// Description:

// This function is called as a thread, and it handles a given

// client connection. The parameter passed in is the socket

// handle returned from an accept() call. This function reads

// data from the client and writes it back.

//

DWORD WINAPI ClientThread(LPVOID lpParam)

{

SOCKET sock=(SOCKET)lpParam;

char szBuff[DEFAULT_BUFFER];

int ret,

nLeft,

idx;

while(1)

{

// Perform a blocking recv() call

//

ret = recv(sock, szBuff, DEFAULT_BUFFER, 0);

if (ret == 0) // Graceful close

break;

else if (ret == SOCKET_ERROR)

{

printf("recv() failed: %dn", WSAGetLastError());

break;

}

szBuff[ret] = '0';

printf("RECV: '%s'n", szBuff);

//

// If we selected to echo the data back, do it

//

if (!bRecvOnly)

{

nLeft = ret;

idx = 0;

//

// Make sure we write all the data

//

while(nLeft > 0)

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{

ret = send(sock, &szBuff[idx], nLeft, 0);

if (ret == 0)

break;

else if (ret == SOCKET_ERROR)

{

printf("send() failed: %dn",

WSAGetLastError());

break;

}

nLeft -= ret;

idx += ret;

}

}

}

return 0;

}

//

// Function: main

//

// Description:

// Main thread of execution. Initialize Winsock, parse the

// command line arguments, create the listening socket, bind

// to the local address, and wait for client connections.

//

int main(int argc, char **argv)

{

WSADATA wsd;

SOCKET sListen,

sClient;

int iAddrSize;

HANDLE hThread;

DWORD dwThreadId;

struct sockaddr_in local,

client;

ValidateArgs(argc, argv);

if (WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsd) != 0)

{

printf("Failed to load Winsock!n");

return 1;

15/19

}

// Create our listening socket

//

sListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);

if (sListen == SOCKET_ERROR)

{

printf("socket() failed: %dn", WSAGetLastError());

return 1;

}

// Select the local interface and bind to it

//

if (bInterface)

{

_addr.s_addr = inet_addr(szAddress);

if (_addr.s_addr == INADDR_NONE)

usage();

}

else

_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

_family = AF_INET;

_port = htons(iPort);

if (bind(sListen, (struct sockaddr *)&local,

sizeof(local)) == SOCKET_ERROR)

{

printf("bind() failed: %dn", WSAGetLastError());

return 1;

}

listen(sListen, 8);

//

// In a continous loop, wait for incoming clients. Once one

// is detected, create a thread and pass the handle off to it.

//

while (1)

{

iAddrSize = sizeof(client);

sClient = accept(sListen, (struct sockaddr *)&client,

&iAddrSize);

if (sClient == INVALID_SOCKET)

{

printf("accept() failed: %dn", WSAGetLastError());

break;

16/19

}

printf("Accepted client: %s:%dn",

inet_ntoa(_addr), ntohs(_port));

hThread = CreateThread(NULL, 0, ClientThread,

(LPVOID)sClient, 0, &dwThreadId);

if (hThread == NULL)

{

printf("CreateThread() failed: %dn", GetLastError());

break;

}

CloseHandle(hThread);

}

closesocket(sListen);

WSACleanup();

return 0;

}

与客户端程序相比，服务器端在以下几个方面存在差异。

1、指定本地地址──bind()

当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族),但它没有被命名。bind()将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。其调用格式如下：

bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

参数s是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符(套接字号)。参数name 是赋给套接字s的本地地址（名字），其长度可变，结构随通信域的不同而不同。namelen表明了name的长度。

如果没有错误发生，bind()返回0。否则返回值SOCKET_ERROR。

地址在建立套接字通信过程中起着重要作用，作为一个网络应用程序设计者对套接字地址结构必须有明确认识。例如，UNIX BSD有一组描述套接字地址的数据结构，其中使用TCP/IP协议的地址结构为：

struct sockaddr_in {

short sin_family; /*AF_INET*/

u_short sin_port; /*16位端口号，网络字节顺序*/

struct in_addr sin_addr; /*32位IP地址，网络字节顺序*/

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char sin_zero[8]; /*保留*/

}

2、监听连接 - listen()

此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用，其调用格式如下：

listen(SOCKET s, int backlog);

参数s标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务器愿意从它上面接收请求。backlog表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数，目前允许的最大值为5。如果没有错误发生，listen()返回0。否则它返回SOCKET_ERROR。

listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。

调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept()之前调用。

3、accept()调用

accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

accept()用于面向连接服务。参数addr和addrlen存放客户方的地址信息。调用前，参数addr 指向一个初始值为空的地址结构，而addrlen 的初始值为0；调用accept()后，服务器等待从编号为s的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户方的connect()调用发出的。当有连接请求到达时，accept()调用将请求连接队列上的第一个客户方套接字地址及长度放入addr 和addrlen，并创建一个与s有相同特性的新套接字号。新的套接字可用于处理服务器并发请求。

参数s为本地套接字描述符，在用做accept()调用的参数前应该先调用过listen()。addr 指向客户方套接字地址结构的指针，用来接收连接实体的地址。addr的确切格式由套接字创建时建立的地址族决定。addrlen 为客户方套接字地址的长度（字节数）。如果没有错误发生，accept()返回一个SOCKET类型的值，表示接收到的套接字的描述符。否则返回值INVALID_SOCKET。

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5、实验任务

1、两人一组，分别编写网络程序Server和Client，以实现最简单的TCP通信。

说明：如果使用提供的Server.c和Client.c，则在文件菜单中读入程序后，可直接“Build”成执行文件运行。当询问“This build command requires an active project

workspace … ?”时，单击“确定”按钮即可。

2、在VC++ 6.0集成环境下单步调试程序，参考《Winsock基础》，弄清楚程序中相关函数的用法、每个数据结构的含义。

6、提交实验报告

1. 画出你所写程序的框图。

2. 在报告中说明你所修改后程序的任何独特之处。

3. 实验日期：第18周星期五(2010-7-2)晚上7:00 – 10:00。

实验地点：南3楼 网络中心机房。

4. 实验报告(含框图、修改说明及程序源代码)通过电子文档形式提交：以“学号-姓名-TCP通信”为文件名，发送至：*******************。截至时间：2010-7-9 17: 00整。

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