发布日期: 2024-09-22

更新日期: 2024-10-07

文章字数: 3.9k

阅读时长: 16 分

基于TCP/UDP的简单客户端和服务端通讯程序

一、TCP

1.TCP原理

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于流的通信协议。它是互联网协议栈（TCP/IP）中的核心协议之一，主要用于保证在计算机网络中可靠地传输数据。

TCP通信的基本特点:

面向连接：在发送数据之前，TCP要求通信双方（客户端和服务器）首先建立一个连接，这个过程被称为“三次握手”。连接建立后，数据才可以传输；数据传输完成后，需要释放连接（通过“四次挥手”关闭连接）。

可靠传输：TCP保证数据包的正确传输。通过序列号和确认号的机制，TCP能够检测丢包、乱序、重复等问题，并通过重传机制进行纠正，从而确保数据的完整性和顺序性。

基于流：TCP传输的数据没有消息边界，而是一个连续的数据流。数据可以按照任意大小进行发送和接收，应用层必须根据协议或约定来解析数据边界。

众所周知，tcp是可靠传输，这个可靠就是指tcp通信是面向连接的通信，所以客户端需要知道服务端的协议族、ip地址和端口号。

协议族就是选择IPV4 或者 IPV6

IP地址由四段组成，每个字段是一个字节，即4个字节、每个字节有8位，最大值是255(=256：0~255)，在你的电脑上的命令行窗口上输入命令 ipconfig 即可查看本机的ip地址

端口号（Port Number）是网络传输层协议（如TCP或UDP）用来识别特定服务或应用程序的数字标识符。每个IP地址可以有多个端口号，每个端口号代表不同的服务。

如下代码所示即为设置协议族、ip地址和端口号

sockaddr_in sin;
sin.sin_family = AF_INET;//设置地址族为IPv4
sin.sin_port = htons(5678);//设置端口号为5678，使用网络字节顺序
sin.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");//将IP地址设置为本地地址

暂且不细谈三次握手和四次挥手

用简单通俗的语言来解释就是

三次握手：

①客户端向服务端发送连接请求的消息

②服务端收到客户端的请求后发送一次 ‘收到’ 消息

③客户端收到服务端的‘收到’ 消息后回复一次 ‘确认收到’ 的消息

四次挥手：

①客户端向服务端发送 ’请求断开连接的消息‘

②服务端回复’收到请求断开连接的消息‘

③服务端将剩下的内容全部收拾完毕后再次发送 ‘我已经准备好了’ 的消息

④客户端在接收到信息后，便可正常断开连接了

TCP程序中的发送/接受信息的函数是：

2.Init.h的头文件解释

#pragma once
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "WS2_32")
class CInitSock
{
public:
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)
    {
        WSADATA wsaData;
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);
        if (::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)
        {
            exit(0);
        }
    }
    ~CInitSock()
    {
        ::WSACleanup();
    }
};

这个头文件相当于一个工具类，是用于初始化和清理 Winsock 库的 C++ 类 CInitSock

编写程序的之后只需要进行一次CInitSock类的创建即可，由于构造函数和析构函数的存在，便可以实现对象构造时初始化 Winsock 库，在对象销毁时清理 Winsock 资源，方便进行后续的网络编程操作

2.TCP服务端程序设计

Server.cpp主要目的：创建一个TCP服务器，监听端口4567，并在客户端连接时向客户端发送一条消息

TCP的服务端首先创建一个socket对象（ sListen ）

然后使用 bind 函数将以下的地址信息绑定到sListen 上

sockaddr_in sin;
sin.sin_family = AF_INET;//设置地址族为IPv4
sin.sin_port = htons(4567);//设置端口号为4567，使用网络字节顺序
sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;//将IP地址设置为任意本地地址

服务端不断监听来自其他程序的发送到此端口上的连接请求信息，只要接收到了连接请求，便可以进行通信

服务端是不需要知道客户端的地址信息的，服务端只需要不断监听连接请求

服务端完整的代码如下：

#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include "Init.h"
#include <stdio.h>
CInitSock initSock;


int main()
{
    printf("***********服务端 Server *****************/n");
    //创建一个监听套接字 sListen，使用TCP协议进行通信
    SOCKET sListen = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (sListen == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("Failed socket()/n");
        return 0;
    }
    //设置服务器地址 sin
    sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;//设置地址族为IPv4
    sin.sin_port = htons(4567);//设置端口号为4567，使用网络字节顺序
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;//将IP地址设置为任意本地地址

    //绑定套接字到服务器地址
    if (::bind(sListen, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
    {
        printf("Failed bind()/n");
        return 0;
    }

    //开始监听连接请求
    if (::listen(sListen, 2) == SOCKET_ERROR)
    {
        printf("Falied listen()/n");
        return 0;
    }

    //准备接受远程客户端的连接
    sockaddr_in remoteAddr;//创建 sockaddr_in 类型的 remoteAddr 用于存储远程客户端的地址信息
    int nAddrLen = sizeof(remoteAddr);
    SOCKET sClient;
    char szText[] = "你好！我是服务端！欢迎对话!/n"; //创建一个用于发送给客户端的消息字符串 szText

    //等待客户端连接并接受连接请求
    sClient = ::accept(sListen, (SOCKADDR*)&remoteAddr, &nAddrLen);
    if (sClient == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("Failed accept()");
        return 0;
    }
    printf(" Receive a conection: %s/r/n", inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr));

    char buff[256];

    while (TRUE)
    {
        ::send(sClient, szText, strlen(szText), 0);//向客户端发送消息
        int nRecv = ::recv(sClient, buff, 256, 0);
        if (nRecv > 0)  
        {
            buff[nRecv] = '/0';
            printf("服务器Server端收到客户端Client信息如下: %s/n", buff);
        }

    }
    ::closesocket(sListen);//关闭与客户端的连接
    return 0;
}

3.TCP客户端程序设计

Client.cpp主要目的：向已知地址信息的服务端发送连接请求，并在连接成功后收到信息时，回复一条消息

客户端必须要知道服务端正确的地址信息，才能正确的发送连接请求

客户端首先创建一个 SOCKET 对象，代表客户端自己

接着创建 sockaddr_in 对象，这个对象代表服务端程序，所以需要设置完整的地址信息

sockaddr_in servAddr;//定义服务器地址 servAddr
servAddr.sin_family = AF_INET; //设置地址族为IPv4
servAddr.sin_port = htons(4567);//将客户端要连接的服务器端口号设置为 4567
servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");

这个代表要发送连接请求到ip地址为 “127.0.0.1” 的主机上（若要实现两台电脑进行通信，可以继续往下看）

发送连接请求

if (::connect(s, (sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)
{
    printf("Failed connect()/n");
    return 0;
}

完整的代码如下：

#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include "Init.h"
#include <stdio.h>
#include<iostream>
using namespace std;
CInitSock initSock;

int main()
{
    printf("***********客户端 Client *****************/n");
    //创建一个套接字 s，使用TCP协议进行通信
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (s == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("Failed socket()/n");
        return 0;
    }
    sockaddr_in servAddr;//定义服务器地址 servAddr
    servAddr.sin_family = AF_INET; //设置地址族为IPv4
    servAddr.sin_port = htons(4567);//将客户端要连接的服务器端口号设置为 4567
    servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");//将IP地址设置为本地主机（127.0.0.1）
    //servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("10.212.21.19");

    //尝试与服务器建立连接
    if (::connect(s, (sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)
    {
        printf("Failed connect()/n");
        return 0;
    }

    char buff[256];
    int nRecv = ::recv(s, buff, 256, 0);
    if (nRecv > 0)
    {
        buff[nRecv] = '/0';
        printf(" Receive Data from Server: %s", buff);
    }

    while (true)
    {
        char sendData[] = "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx";
        printf("请输入要发送的信息内容: ");
        cin >> sendData;
        int nSent = ::send(s, sendData, strlen(sendData), 0);
        if (nSent == SOCKET_ERROR)
        {
            printf("发送失败/n");
        }
        else
        {
            printf("*********成功发送信息，信息内容: %s *********/n", sendData);
        }

    }

    ::closesocket(s);
    return 0;
}

4.两台主机进行通信

一台主机运行Server.cpp

一台主机运行Client.cpp

两当台主机处于同一网段下，便可以进行通信

（在不考虑配置路由的情况下，两台主机只有处于同一网段的情况下才能进行通信）

同一网段的概念：同一网段指的是 IP地址和子网掩码相与得到相同的网络地址。想在同一网段，必须做到网络标识相同。

当子网掩码一致的情况下，只需要看 IP地址，如果 IP地址只有后两位不同，其他位置相同，便可以断定其一定处于同一网段

例如：

子网掩码： 255.255.255.0

IP地址： 192.168.43.xx

具体计算的方法如下：
以我自己电脑上的IP地址和子网掩码做例子
IP地址： 192.168.43.42
子网掩码： 255.255.255.0

1.首先将I P地址和子网掩码转换为二进制
IP地址转换为二进制为：

1	‭11000000‬ ‭10101000‬ ‭00101011‬ ‭00101010‬

子网掩码转换为二进制为：

1	‭11111111‬ ‭11111111‬ ‭11111111‬ 00000000

2.然后将转换为二进制的ip地址和子网掩码做与运算就可以算出网络标识

ip地址:    11000000‬  ‭10101000‬  ‭00101011‬ ‭00101010‬
子网掩码:   11111111  11111111‬  11111111‬ 00000000
网络标识:   11000000‬  ‭10101000‬  ‭00101011 00000000
    
    
计算出来的网络标识为：
11000000‬ ‭10101000‬ ‭00101011 00000000

可以在命令行使用 ping xx.xx.xx.xx 进行测试，当得到以下信息时

代表着两台主机是可以进行通信的

注意：需要关掉两台电脑的防火墙，否则会被防火墙拦截请求

二、UDP

1.UDP原理

UDP是一种无连接的协议，它允许数据包立即发送，无需建立和断开连接。UDP的特点包括：

快速传输：由于UDP的头部开销较小，数据包传输速度较快，适用于需要实时传输的应用。
无可靠性：UDP不保证数据包的可靠性传输，不保证数据包的顺序到达，也不保证数据包不会丢失。
广播和多播：UDP支持广播和多播，可以将数据包发送到多个接收者。

在UDP通信中，服务端通常不需要提前知道客户端的地址信息。这是因为UDP是一种面向无连接的协议，它不维护连接状态，也不需要在通信之前建立连接。客户端可以直接向服务器发送数据包，而服务器可以从接收到的数据包中提取客户端的地址信息。

当服务端收到UDP数据包时，可以从数据包中解析出客户端的地址信息（IP地址和端口号），这样服务端就能够知道客户端的地址。服务端可以使用这些信息来向客户端发送响应，如果需要的话。在UDP通信中，客户端和服务端之间的通信是相对简单和直接的，因为不需要维护连接状态，也没有复杂的握手过程。

UDP程序中的发送/接受信息的函数是：

2.UDP服务端程序设计

注意：UDP程序同样是需要 Init.h 文件的，并且文件的内容是一致的

与TCP通信一致

UDP的服务端首先创建一个socket对象（ sListen ）

然后使用 bind 函数将以下的地址信息绑定到sListen 上

sockaddr_in sin;
sin.sin_family = AF_INET;//设置地址族为IPv4
sin.sin_port = htons(4567);//设置端口号为4567，使用网络字节顺序
sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;//将IP地址设置为任意本地地址

服务端不断监听来自其他程序的发送到此端口上的连接请求信息，只要接收到了连接请求，便可以进行通信

服务端是不需要知道客户端的地址信息的，服务端只需要不断监听连接请求

客户端和服务端运行的时候需要进行一次暂停操作，由于是面向无连接的通信，所以可能存服务端或者客户端未运行，而消息却已发送出去了，导致消息的丢失

完整代码如下：

#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include "Init.h"
#include <stdio.h>
CInitSock initSock;
#include<iostream>
#include<stdlib.h>

int main()
{
    printf("***********服务端 Server *****************/n");
    // 创建套节字
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    if (s == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("Failed socket() /n");
        return 0;
    }

    // 填充sockaddr_in结构(服务端端口号为4567)
    sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;//设置地址族为IPv4
    sin.sin_port = htons(4567);//设置端口号为4567，使用网络字节顺序
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");//将IP地址设置为本地地址

    //绑定套接字到服务器地址
    if (::bind(s, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
    {
        printf("Failed bind() /n");
        return 0;
    }

    sockaddr_in addr;

    //暂停一下 等到客户端运行完毕 否则发送的信息会找不到
    system("pause");

    // 接收连接
    char Text[1024];
    int Len = sizeof(addr);
    while (TRUE)
    {
        int nRecv = ::recvfrom(s, Text, 1024, 0, (sockaddr*)&addr, &Len);
        if (nRecv > 0)
        {
            Text[nRecv] = '/0';
            printf(" 接收到数据（%s : %d）：%s", ::inet_ntoa(addr.sin_addr), addr.sin_port, Text);
            break;
        }
    }

    //服务端向客户端发送信息
    char szText[] = "你好！我是服务端！欢迎对话 /n";
    ::sendto(s, szText, strlen(szText), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    printf("发送成功");

    // 接收数据
    char buff[1024];
    int nLen = sizeof(addr);
    while (TRUE)
    {
        int nRecv = ::recvfrom(s, buff, 1024, 0, (sockaddr*)&addr, &nLen);
        if (nRecv > 0)
        {
            buff[nRecv] = '/0';
            printf(" 接收到数据（%s : %d）：%s", ::inet_ntoa(addr.sin_addr), addr.sin_port, buff);
            break;
        }
    }
    ::closesocket(s);
}

3.UDP客户端程序设计

注意：UDP程序同样是需要 Init.h 文件的，并且文件的内容是一致的

在UDP通信中，客户端需要指定要连接的服务器的IP地址和端口号

// 填写远程服务器程序地址信息
sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(4567);
addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");

客户端和服务端运行的时候需要进行一次暂停操作，由于是面向无连接的通信，所以可能存服务端或者客户端未运行，而消息却已发送出去了，导致消息的丢失

完整代码如下：

#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include "Init.h"
#include <stdio.h>
#include<iostream>
using namespace std;
CInitSock initSock;
#include<stdlib.h>


int main()
{
	printf("***********客户端 Client *****************/n");
	// 创建套节字
	SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
	if (s == INVALID_SOCKET)
	{
		printf("Failed socket() %d /n", ::WSAGetLastError());
		return 0;
	}

	// 填充sockaddr_in结构(客户端端口号5678)
	sockaddr_in sin;
	sin.sin_family = AF_INET;//设置地址族为IPv4
	sin.sin_port = htons(5678);//设置端口号为5678，使用网络字节顺序
	sin.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");//将IP地址设置为本地地址

	//绑定套接字到客户端地址
	if (::bind(s, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("Failed bind() /n");
		return 0;
	}

	// 填写远程服务器程序地址信息
	sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(4567);
	addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");

	system("pause");
	// 发送数据
	char Text[] = "请求连接 /n";
	::sendto(s, Text, strlen(Text), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));


	//接受数据
	char buff[1024];
	int nLen = sizeof(addr);
	while (TRUE)
	{
		int nRecv = ::recvfrom(s, buff, 1024, 0, (sockaddr*)&addr, &nLen);
		if (nRecv > 0)
		{
			buff[nRecv] = '/0';
			printf(" 接收到数据（%s : %d）：%s", ::inet_ntoa(addr.sin_addr), addr.sin_port, buff);
			break;
		}
	}

	// 发送数据
	char szText[] = "我是客户端，谢谢! /n";
	::sendto(s, szText, strlen(szText), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));


	::closesocket(s);
	return 0;
}