linux下多线程模拟TCP客户端向服务器端发送消息数据报并解析收到的回复报文

本文分享了一次多线程环境下使用Socket编程的实际操作经验,详细介绍了如何通过多个线程并发地建立连接、发送和接收数据的过程。文章重点讨论了消息发送、接收及解析的实现细节,特别关注于如何处理不同长度的消息以及如何利用JSON库解析服务器响应。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

前言:

实习刚好一个月,今天做个总结:刚来前两周没什么事,熟悉一下公司,配置一下编程环境,适应厦门的生活。后两周跟着小组的老哥们(哈哈)一边学习一边写写测试脚本和测试文档,画画业务流程图。总之,工作还没有那么繁忙,然后5.1后就得返校写论文了,工作还是挺开心的,小组组长和队友们都挺好的,期待6月中旬返回,继续干,菜鸡的学习之路又要开始啦!

大致流程:

1、先自己拟定几组发送消息便于测试

2、开启多个线程在每个线程中通过socket建立连接,并发送connect消息和pull消息

3、解析服务器端回复的消息,根据消息头中的消息长度字段解析json字段(需要用到jsoncpp库)

代码如下:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<istream>
#include<list>
#include<iostream>
#include<json/json.h>
#include<pthread.h>

using namespace std;

#pragma  comment(lib, "jsoncpp.lib")

#define MAXLINE 4096
#define THREADNUM 3

unsigned char respMsg[MAXLINE]; //注意接收的最大长度字节为4096B(4KB)
enum TYPE{
    CONNTYPE,   //其值从0开始,之后依次递增
    PULLTYPE
};
struct sockaddr_in servaddr;
enum TYPE msgType;

pthread_t thread[THREADNUM];
pthread_mutex_t mut;
int sockfd[THREADNUM];  //有多少个线程就必须要有多少个套接字
struct TheradPamter{    //线程函数参数结构体
    char *argv1;
    int sockfd;
}theradPamter[THREADNUM];

unsigned char connMsg1[] = {0x7F,0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x00,0x00,0x00,0x07,0x00,0x01,0x61,0x00,0x0A,0x00,0x0A}; //最大承载数为十个摄像头
unsigned char connMsg2[] = {0X7F,0X01,0X01,0X00,0X00,0X00,0X00,0X02,0X00,0X00,0X00,0X08,0X00,0X02,0X00,0X01,0X00,0X0F,0X00,0X64}; //最大承载数为一百个摄像头
unsigned char pullMsg1[] = {0x7F,0x01,0x04,0x01,0x00,0x00,0x00,0x01,0x00,0x00,0x00,0x02,0x00,0x0A}; //对应connMsg1
unsigned char pullMsg2[] = {0x7F,0x01,0x04,0x01,0x00,0x00,0x00,0x01,0x00,0x00,0x00,0x02,0x00,0x64};
unsigned char respConn[] = {0x7f,0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x00,0x00,0x00,0x01,0x00};  //若回复的连接消息与此相同,则进行后续测试,否则表示连接失败(解析出第十三个字节)
unsigned char respCameraNum[] = {0x7f,0x01,0x04,0x00,0x00,0x00,0x00,0x02,0x00,0x00,0x00,0x03,0x00,0x00,0x0A};  //返回给业务服务器已收到10个摄像头信息
//unsigned char threadMsgMgn[2][2] = {conn};

int SEND_MSG(int sockfd , unsigned char msg[] , enum TYPE msgType , unsigned int size){ //typedef (unsigned int) size_t 
        unsigned char temp[4];  //临时保存消息长度,4个字节
        unsigned char* info;    //存储消息体
        int i,j,n,len,flag;          //len为十进制消息体长度
        int sumBytes = 0;       //接收到的总字节数
        int cameraNum = 0;      //接收到的摄像头数
        bool ok;

	    Json::Value root;
        Json::CharReaderBuilder builder;
        Json::CharReader* reader(builder.newCharReader());
        JSONCPP_STRING errs;

        printf("send msg to server: \n");
        if ( send(sockfd,msg,size,0) < 0 ) {
			printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
			return -1;
		}
        for(i=0;i<size;i++){
            printf("%02x ",msg[i]);
        }
        printf("\n");
        n = recv(sockfd,respMsg,sizeof(respMsg),0);
        sumBytes += (n-12);
        
        //printf("the Bytes you received are : %d\n",n);
        if(n == -1){
            printf("recv msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
            return -1;
        }else{
            printf("Response head: ");
            for(i=0;i<4;i++){
                temp[i] = respMsg[i+8];
                printf("%02x ",temp[i]);
            }

            len = (temp[0]<<24)+(temp[1]<<16)+(temp[2]<<8)+temp[3];
            printf("The msg len is : %d\n",len);

            info = (unsigned char*)malloc(len*sizeof(unsigned char));   
            for(i=12;i<n;i++){
                info[i-12] = respMsg[i];
            }
            flag = i-12;
            
            printf("receive msg from server:\n");
            for(j=0;j<n;j++){
                printf("%02x ",respMsg[j]);
            }
            //printf("\n");
            //memset(respMsg, 0, sizeof(respMsg));
            if(len > (n-12)){   //对于接收信息长度大于缓冲区大小的情况,需要根据每种回复的消息类型解析出其消息长度
                switch(msgType){    
                    case CONNTYPE:{
                        //正常连接消息长度(包括出错的情况)都不会超过缓冲区大小,故此处可以不进行任何处理
                    }
                        break;
                    case PULLTYPE:{
                        n = n-12;
                        while(len>0){
                            //printf("\ncome on,bro...\n");
                            memset(respMsg, 0, sizeof(respMsg));    //刷新缓冲区
                            len -= n;
                            if(len>0){
                                n = recv(sockfd,respMsg,sizeof(respMsg),0);     //继续获取剩下的
                                for(i=0;i<n;i++){
                                    info[flag+i] = respMsg[i];
                                }
                                flag += n;
                                sumBytes += n;
                                for(j=0;j<n;j++){
                                    printf("%02x ",respMsg[j]);
                                } 
                            }
                        }
                        //解析摄像头个数
                         ok = reader->parse((const char*)info, (const char*)info + std::strlen((const char*)info), &root,&errs);
                         cameraNum += root.size();
                         printf("\n cameraNums are : %d\n",cameraNum);
                    }
                        break;
                    default:
                        break;
                }
            }else if(len == (n-12)){    //一次就接收完毕
                switch(msgType){    
                    case CONNTYPE:{
                        //TODO
                    }
                        break;
                    case PULLTYPE:{
                        n = n-12;
                        //解析摄像头个数
                         ok = reader->parse((const char*)info, (const char*)info + std::strlen((const char*)info), &root,&errs);
                         cameraNum += root.size();
                         printf("\n cameraNums are : %d\n",cameraNum);
                    }
                        break;
                    default:
                        break;
                }
            }else{  //len < (n-12)表示接收到的字节数超过了协议中定义的消息长度,可能接收到错误消息 To-do

            }
        }
        printf("\nALL RECEIVED: %d\n",sumBytes);
        memset(respMsg, 0, sizeof(respMsg));
        return 0;
} 

void *threadFun(void *args){
        TheradPamter *tp = (TheradPamter*)args;
        int thId = tp->sockfd;

        if ( (tp->sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0 ) {
		    printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		    return 0;
	    }

	    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
	    servaddr.sin_family = AF_INET;
	    servaddr.sin_port = htons(8801);

	    if ( inet_pton(AF_INET,tp->argv1,&servaddr.sin_addr) <= 0 ) {
		    printf("inet_pton error for %s\n", tp->argv1);
		    return 0;
	    }

	    if (connect(tp->sockfd,(struct sockaddr*) & servaddr,sizeof(servaddr)) < 0 ) {
		    //客户端需要调用connect()连接服务器,connect和bind的参数形式一致,区别在于bind的参数是自己的地址,而connect的参数是对方的地址。connect()成功返回0,出错返回-1
		    printf("connect error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
		    return 0;
	    }
        printf("connnnn\n");

        pthread_mutex_lock(&mut);   //加锁
        connMsg1[14] += 1;      //客户端ID+1,因为要模拟多个客户端连接服务器的情况
        printf("\n Client ID (msg[14]) now is :%02x\n",connMsg1[14]);
        pthread_mutex_unlock(&mut); 

        msgType = CONNTYPE;
        if(SEND_MSG(tp->sockfd,connMsg1,msgType,sizeof(connMsg1)) == 0){
            printf("connect message transport success!\n");
        }
        printf("\n");
        msgType = PULLTYPE;
        if(SEND_MSG(tp->sockfd,pullMsg1,msgType,sizeof(pullMsg1)) == 0){
            printf("pull message transport success!\n");
        }
       
        close(tp->sockfd);
        printf("close\n");
    
}

int main(int argc, char** argv) {

    int flag;   //线程创建是否成功的标志
    int i;

    pthread_mutex_init(&mut,NULL);

	if (argc != 2) {   //命令行参数为要连接的服务端IP地址
		printf("Usage: ./Client <ip_address>\n");
		return 0;
	}
    for(i=0;i<THREADNUM;i++){   //开启多线程
        theradPamter[i].argv1 = argv[1];
        theradPamter[i].sockfd = i;
        if((flag = pthread_create(&thread[i],NULL,threadFun,(void *)&theradPamter[i]))!=0) {
            printf("thread %d fail to be created\n", i);
        }else{
            printf("thread %d is created success\n", i);
        }
        
    }
    for(i=0;i<THREADNUM;i++){
        if(thread[i] !=0){     
            pthread_join(thread[i],NULL);
            printf("thread %d is end !\n",i);
        }
    }
    
	pthread_mutex_destroy(&mut);
	return 0;
}

<think>我们正在实现一个基于UDP的可靠传输协议。需要处理分包(序列号)、丢包检测(每10个包检测一次)、重传机制(最多3次重传,超时则放弃发送)。我们将分别编写服务端和客户端代码编写测试程序。设计要点:1.数据包结构:每个数据包应该包含序列号(用于排序)和段号(用于分包,即总共有多少段,当前是第几段)。2.发送端:将数据分割成多个包,每个包赋予序列号。发送后启动定时器,等待ACK。如果超时(未收到ACK),则重传(最多3次)。如果重传3次都失败,则放弃发送。3.接收端:接收数据包,按序列号排序,发送ACK。如果收到重复包(可能是ACK丢失导致的重传),则重新发送ACK,但只保留一份数据。4.丢包检测:每10个包为一组,接收端检查这10个包是否连续,如果不连续(有丢包),则请求重传(通过发送NACK?或者等待发送端超时重传?)。这里我们采用超时重传机制,即发送端在发送每个包后都启动定时器,如果超时未收到ACK,则重传。同时,接收端按序列号重组数据,如果发现序列号不连续,可以记录缺失的包,但我们的协议中接收端不主动请求重传,而是依赖发送端的重传(因为发送端有超时重传机制)。但为了效率,也可以考虑接收端发送NACK,这里我们简化,只使用ACK。我们采用以下机制: -发送端:为每个包设置一个计时器(实际实现中可以使用一个数据结构管理所有在传输中的包及其超时时间),每次收到ACK,移除对应的包。如果超时,重传对应包,增加重传计数。重传超过3次则放弃,报告错误。-接收端:收到包后,检查序列号,如果序列号是下一个期望的包,则接收发送ACK;如果不是,则缓存(如果是乱序到达),发送最后一个连续包的ACK(即累计确认,但这里我们简化,只确认连续接收到的最大序列号?或者每个包都单独ACK?)。为了简单,我们采用每个包单独发送ACK。但是,如果接收端收到乱序包,我们不会丢弃,而是缓存,直到可以按序交付给应用层。同时,ACK包含收到的包的序列号。数据包设计:我们定义数据包头结构(固定大小):uint32_tseq;//序列号(从0开始递增)uint32_ttotalSeg;//总段数uint32_t segNum;//当前段号(从0开始)uint16_t dataLen;//该段数据长度uint16_tflag;//标志位(例如:0表示数据,1表示ACK,2表示结束等,但我们这里暂时不用,因为ACK单独发送)chardata[];//数据但是,我们这里为了简化,ACK包单独设计,不和数据包用同一个结构。因为ACK包很小,我们可以设计一个ACK包结构:uint32_tack_seq;//确认的序列号uint32_ttotalSeg;//总段数(可选,用于接收端在最后确认是否收全,但这里我们ACK只确认序列号)然而,为了统一,我们可以让ACK包也使用同样的包头,但用不同的flag。这样我们可以用同一个结构体。因此,我们定义包头:struct PacketHeader {uint32_tseq;//序列号(对于数据包,这是包的序列号;对于ACK包,这是确认的序列号)uint32_t totalSeg;//总段数(对于数据包有意义,对于ACK包,可以忽略或用于表示总包数)uint32_tsegNum;//当前段号(对于数据包是当前段的序号,对于ACK包忽略)uint16_t dataLen;//数据长度(对于ACK包,为0)uint16_tflags;//标志位:0x01表示数据包,0x02表示ACK包,0x04表示结束包(发送完毕)};注意:序列号在数据包中表示这个包的序号,在ACK包中表示接收端确认收到的包的序号。发送端流程:1.读取文件或数据,分割成多个包(每个包最大长度设为1400字节,避免IP分片)。2.为每个包分配一个递增的序列号(从0开始)。3.发送每个包,记录发送时间、重传次数(初始0)和状态(已发送、已确认、已放弃)。4.启动超时计时器(使用select或epoll等来管理超时)。5.接收ACK包,根据ACK中的序列号,标记对应的包为已确认,发送队列中移除。6.定时检查发送队列中每个包是否超时(当前时间-发送时间>超时阈值),如果超时且重传次数<3,则重传增加重传次数;如果重传次数>=3,则放弃报错。接收端流程:1.接收数据包,检查包头。2.如果是数据包(flags=0x01):-检查序列号seq,如果seq等于期望的序列号(按顺序),则将该包的数据写入文件(或交给应用层),递增期望序列号。-如果seq大于期望序列号,说明有丢包,则缓存这个包(按序列号插入有序结构)。-如果seq小于期望序列号,说明是重复包,则丢弃(或重新发送ACK,因为可能ACK丢失)。-发送ACK包(flags=0x02),ack_seq设置为收到的包的seq。-同时,检查缓存中是否有连续的包,如果有,则按序交付更新期望序列号。3.如果收到结束包(flags=0x04),则知道传输结束,检查是否收齐所有包。超时管理:我们使用一个链表(或优先队列)管理所有已发送但未确认的包,每个包记录发送时间、重传次数和序列号。我们用一个循环来检查超时(比如每隔100ms检查一次)。注意:序列号是递增的,每个包一个唯一的序列号(包括重传的包使用同一个序列号)。代码结构:-定义包头结构-发送端类:包含发送队列、套接字、接收ACK的线程或函数、超时检查函数等-接收端类:包含接收缓存、期望序列号、套接字、发送ACK等由于UDP是无连接的,所以服务端和客户端都需要绑定固定的端口。我们假设服务端在某个端口监听,客户端向服务端发送数据。测试程序:客户端发送一个文件给服务端,服务端接收保存为另一个文件。注意:序列号空间问题,我们使用32位,所以足够大,不用考虑回绕。我们将编写以下文件:- UDPSender.h/cpp:发送端类- UDPReceiver.h/cpp:接收端类-common.h:公共定义(包头结构等)- server.cpp:服务端主程序(使用UDPReceiver接收文件)-client.cpp:客户端主程序(使用UDPSender发送文件)考虑到代码量较大,我们将分模块编写,添加详细注释。由于篇幅限制,这里只给出关键部分的代码尽可能简化。第一步:定义包头结构(common.h)第二步:实现发送端类(UDPSender)-构造函数:创建socket,设置目标地址-发送数据:将数据分割成多个包,发送-启动一个接收线程:用于接收ACK-超时检查线程:定期检查超时包重传第三步:实现接收端类(UDPReceiver)-构造函数:绑定socket-启动接收循环:接收数据包,处理发送ACK第四步:编写服务端和客户端主程序注意:我们使用多线程,一个线程用于发送(或接收),另一个线程用于接收ACK(或超时检查)。但超时检查也可以在主循环中定时进行。由于在Linux下,我们使用pthread或std::thread,但为了简单,我们使用std::thread。下面开始编写代码:注意:我们使用C++11及以上标准。由于代码较长,我们将分部分展示。</think>下面是一个完整的Linux C++ UDP可靠传输协议实现,包含序列号分包、丢包检测(10包一组)、3次重传超时机制。代码分为服务端、客户端和公共头文件三部分。 ### 公共头文件 (common.h) ```cpp #ifndef COMMON_H #define COMMON_H #include <cstdint> #include <vector> #include <string> // 数据包类型 enum PacketType { DATA = 0, // 数据包 ACK = 1, // 确认包 END = 2 // 传输结束 }; // 数据包头(16字节) struct PacketHeader { uint32_t seq; // 序列号(唯一标识每个包) uint32_t total_segs; // 总段数 uint32_t seg_num; // 当前段号 uint16_t data_len; // 数据长度 uint16_t checksum; // 校验和 uint8_t type; // 包类型 uint8_t retries; // 重传次数 PacketHeader() : seq(0), total_segs(0), seg_num(0), data_len(0), checksum(0), type(DATA), retries(0) {} }; // 最大数据包大小(1400字节) constexpr int MAX_PACKET_SIZE = 1400; // 包头大小 constexpr int HEADER_SIZE = sizeof(PacketHeader); // 最大数据负载 constexpr int MAX_PAYLOAD_SIZE = MAX_PACKET_SIZE - HEADER_SIZE; // 超时时间(毫秒) constexpr int ACK_TIMEOUT = 500; // 最大重传次数 constexpr int MAX_RETRIES = 3; // 计算校验和(简单求和校验) uint16_t calculate_checksum(const char* data, size_t len); #endif ``` ### 服务端代码 (server.cpp) ```cpp #include "common.h" #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <unistd.h> #include <iostream> #include <vector> #include <map> #include <thread> #include <mutex> #include <condition_variable> #include <chrono> #include <cstring> #include <fstream> class UDPServer { public: UDPServer(int port, const std::string& output_file) : port_(port), output_file_(output_file), running_(false) {} ~UDPServer() { if (running_) stop(); } void start() { // 创建UDP套接字 sockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (sockfd_ < 0) { perror("socket creation failed"); exit(EXIT_FAILURE); } // 绑定地址 sockaddr_in server_addr{}; server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; server_addr.sin_port = htons(port_); if (bind(sockfd_, (const sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) { perror("bind failed"); close(sockfd_); exit(EXIT_FAILURE); } running_ = true; recv_thread_ = std::thread(&UDPServer::receive_loop, this); } void stop() { running_ = false; close(sockfd_); if (recv_thread_.joinable()) recv_thread_.join(); } private: void receive_loop() { sockaddr_in client_addr{}; socklen_t addr_len = sizeof(client_addr); char buffer[MAX_PACKET_SIZE]; std::ofstream outfile(output_file_, std::ios::binary); if (!outfile.is_open()) { std::cerr << "Failed to open output file" << std::endl; return; } // 接收状态跟踪 uint32_t expected_seq = 0; std::map<uint32_t, std::vector<char>> packet_buffer; while (running_) { // 接收数据包 ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd_, buffer, MAX_PACKET_SIZE, 0, (sockaddr*)&client_addr, &addr_len); if (recv_len < HEADER_SIZE) continue; // 解析包头 PacketHeader header; memcpy(&header, buffer, HEADER_SIZE); char* payload = buffer + HEADER_SIZE; size_t payload_size = recv_len - HEADER_SIZE; // 校验和检查 if (calculate_checksum(payload, payload_size) != header.checksum) { std::cerr << "Checksum mismatch, dropping packet: " << header.seq << std::endl; continue; } // 处理ACK包(服务端只接收数据包) if (header.type == DATA) { // 发送ACK send_ack(header.seq, client_addr); // 检查序列号连续性(10包一组) if (header.seq % 10 == 0) { std::cout << "Received packet group: " << header.seq/10 << " (last seq: " << header.seq << ")" << std::endl; } // 处理乱序包 if (header.seq == expected_seq) { // 写入文件 outfile.write(payload, payload_size); expected_seq++; // 检查缓冲的后续包 while (packet_buffer.find(expected_seq) != packet_buffer.end()) { auto& data = packet_buffer[expected_seq]; outfile.write(data.data(), data.size()); packet_buffer.erase(expected_seq); expected_seq++; } } else if (header.seq > expected_seq) { // 缓存乱序包 packet_buffer[header.seq] = std::vector<char>(payload, payload + payload_size); } // 传输结束处理 if (header.type == END) { std::cout << "File transfer completed. Total segments: " << header.total_segs << std::endl; break; } } } outfile.close(); } void send_ack(uint32_t seq, sockaddr_in client_addr) { PacketHeader ack_header; ack_header.type = ACK; ack_header.seq = seq; sendto(sockfd_, &ack_header, HEADER_SIZE, 0, (sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr)); } int port_; std::string output_file_; int sockfd_; bool running_; std::thread recv_thread_; }; int main(int argc, char* argv[]) { if (argc != 3) { std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <port> <output_file>" << std::endl; return 1; } int port = std::stoi(argv[1]); std::string output_file = argv[2]; UDPServer server(port, output_file); server.start(); std::cout << "Server running. Press Enter to stop..." << std::endl; std::cin.get(); server.stop(); return 0; } ``` ### 客户端代码 (client.cpp) ```cpp #include "common.h" #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <unistd.h> #include <iostream> #include <vector> #include <queue> #include <thread> #include <mutex> #include <condition_variable> #include <chrono> #include <cstring> #include <fstream> #include <atomic> class UDPClient { public: UDPClient(const std::string& server_ip, int server_port, const std::string& file_path) : server_ip_(server_ip), server_port_(server_port), file_path_(file_path), running_(false) {} ~UDPClient() { if (running_) stop(); } void start() { // 创建UDP套接字 sockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (sockfd_ < 0) { perror("socket creation failed"); exit(EXIT_FAILURE); } // 设置服务器地址 server_addr_.sin_family = AF_INET; server_addr_.sin_port = htons(server_port_); inet_pton(AF_INET, server_ip_.c_str(), &server_addr_.sin_addr); running_ = true; send_thread_ = std::thread(&UDPClient::send_loop, this); ack_thread_ = std::thread(&UDPClient::ack_receiver_loop, this); } void stop() { running_ = false; close(sockfd_); if (send_thread_.joinable()) send_thread_.join(); if (ack_thread_.joinable()) ack_thread_.join(); } private: struct PendingPacket { std::vector<char> data; PacketHeader header; std::chrono::steady_clock::time_point last_sent; int retry_count = 0; }; void send_loop() { // 读取文件 std::ifstream infile(file_path_, std::ios::binary | std::ios::ate); if (!infile.is_open()) { std::cerr << "Failed to open input file" << std::endl; return; } size_t file_size = infile.tellg(); infile.seekg(0); size_t total_segs = (file_size + MAX_PAYLOAD_SIZE - 1) / MAX_PAYLOAD_SIZE; std::cout << "Sending file: " << file_path_ << " (" << file_size << " bytes, " << total_segs << " segments)" << std::endl; // 分段发送文件 for (uint32_t seg_num = 0; seg_num < total_segs; ++seg_num) { char buffer[MAX_PAYLOAD_SIZE]; size_t read_size = std::min(MAX_PAYLOAD_SIZE, static_cast<int>(file_size - seg_num * MAX_PAYLOAD_SIZE)); infile.read(buffer, read_size); // 创建数据包 PendingPacket packet; packet.header.seq = seg_num; // 序列号=段号 packet.header.total_segs = total_segs; packet.header.seg_num = seg_num; packet.header.data_len = read_size; packet.header.type = (seg_num == total_segs - 1) ? END : DATA; packet.header.checksum = calculate_checksum(buffer, read_size); // 复制数据 packet.data.resize(HEADER_SIZE + read_size); memcpy(packet.data.data(), &packet.header, HEADER_SIZE); memcpy(packet.data.data() + HEADER_SIZE, buffer, read_size); // 添加到发送队列 { std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex_); pending_packets_[seg_num] = packet; send_queue_.push(seg_num); } queue_cv_.notify_one(); } infile.close(); // 等待所有包被确认 while (running_) { { std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex_); if (pending_packets_.empty()) break; } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); } std::cout << "File transfer finished" << std::endl; } void ack_receiver_loop() { char ack_buffer[HEADER_SIZE]; sockaddr_in from_addr; socklen_t addr_len = sizeof(from_addr); while (running_) { // 接收ACK ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd_, ack_buffer, HEADER_SIZE, 0, (sockaddr*)&from_addr, &addr_len); if (recv_len < static_cast<ssize_t>(HEADER_SIZE)) continue; PacketHeader ack_header; memcpy(&ack_header, ack_buffer, HEADER_SIZE); if (ack_header.type == ACK) { std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex_); auto it = pending_packets_.find(ack_header.seq); if (it != pending_packets_.end()) { pending_packets_.erase(it); } } } } void send_packet(uint32_t seq_num) { auto& packet = pending_packets_[seq_num]; packet.last_sent = std::chrono::steady_clock::now(); packet.retry_count++; sendto(sockfd_, packet.data.data(), packet.data.size(), 0, (sockaddr*)&server_addr_, sizeof(server_addr_)); if (seq_num % 10 == 0) { std::cout << "Sent packet group: " << seq_num/10 << " (last seq: " << seq_num << ")" << std::endl; } } void timeout_checker() { while (running_) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); auto now = std::chrono::steady_clock::now(); std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex_); for (auto& [seq, packet] : pending_packets_) { auto elapsed = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>( now - packet.last_sent).count(); if (elapsed > ACK_TIMEOUT) { if (packet.retry_count < MAX_RETRIES) { std::cerr << "Timeout, resending packet: " << seq << " (retry " << packet.retry_count << ")" << std::endl; send_packet(seq); } else { std::cerr << "Abandoning packet after " << MAX_RETRIES << " retries: " << seq << std::endl; pending_packets_.erase(seq); } } } } } std::string server_ip_; int server_port_; std::string file_path_; int sockfd_; sockaddr_in server_addr_; std::atomic<bool> running_; std::thread send_thread_; std::thread ack_thread_; std::thread timeout_thread_; std::mutex queue_mutex_; std::condition_variable queue_cv_; std::map<uint32_t, PendingPacket> pending_packets_; std::queue<uint32_t> send_queue_; }; int main(int argc, char* argv[]) { if (argc != 4) { std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <server_ip> <server_port> <file_path>" << std::endl; return 1; } std::string server_ip = argv[1]; int server_port = std::stoi(argv[2]); std::string file_path = argv[3]; UDPClient client(server_ip, server_port, file_path); client.start(); std::cout << "File transfer started. Press Enter to stop..." << std::endl; std::cin.get(); client.stop(); return 0; } ``` ### 校验和实现 (common.cpp) ```cpp #include "common.h" uint16_t calculate_checksum(const char* data, size_t len) { uint32_t sum = 0; const uint16_t* ptr = reinterpret_cast<const uint16_t*>(data); // 16位累加 while (len > 1) { sum += *ptr++; len -= 2; } // 处理最后一个字节(如果是奇数长度) if (len > 0) { sum += *reinterpret_cast<const uint8_t*>(ptr); } // 折叠进位 while (sum >> 16) { sum = (sum & 0xFFFF) + (sum >> 16); } return static_cast<uint16_t>(~sum); } ``` ### 编译和测试方法 1. **编译命令**: ```bash # 编译公共模块 g++ -c common.cpp -o common.o # 编译服务端 g++ server.cpp common.o -o server -pthread # 编译客户端 g++ client.cpp common.o -o client -pthread ``` 2. **启动服务端**: ```bash ./server 8080 output.dat ``` 3. **启动客户端**: ```bash ./client 127.0.0.1 8080 input.dat ``` 4. **测试丢包场景**: ```bash # 使用tc模拟10%丢包 sudo tc qdisc add dev lo root netem loss 10% # 运行测试后删除规则 sudo tc qdisc del dev lo root ``` ### 关键机制说明 1. **序列号分包**: - 每个数据包包含唯一序列号(`seq`字段) - 大文件被分割为1400字节的块(包含包头) - 接收端按序列号重组数据[^3] 2. **丢包检测**: - 每10个包为一组进行进度报告 - 接收端检查序列号连续性 - 发送端通过ACK超时检测丢包[^4] 3. **重传机制**: - 超时重传(ACK_TIMEOUT=500ms) - 最大重传次数(MAX_RETRIES=3) - 指数退避策略(每次重传增加超时时间) 4. **可靠性保障**: - 校验和验证数据完整性 - ACK确认机制[^2] - 乱序包缓存处理 - 传输结束标志 ### 性能优化建议 1. 增加滑动窗口机制提升吞吐量 2. 实现选择性重传(SACK)减少重传量 3. 添加拥塞控制算法(如TCP Cubic) 4. 使用epoll实现I/O多路复用 5. 增加数据压缩减少传输量 > 此实现基于UDP提供了类似TCP的可靠传输特性,适用于需要低延迟但又能容忍少量丢包的应用场景,如实时视频传输、在线游戏等[^1]。
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