计算机网络 TCP/UDP程序开发网络聊天室

Mi ronin

已于 2023-03-20 12:07:24 修改

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分类专栏：计算机网络 c语言 C语言项目文章标签： tcp/ip udp 计算机网络

于 2023-03-17 15:58:14 首次发布

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实验详细介绍了如何开发TCP/UDP协议应用程序，包括服务器端和客户端的编程步骤，涉及WinSock接口函数如socket(),bind(),listen(),accept(),send(),recv()等。实验旨在帮助理解TCP和UDP的异同，以及网络通信编程的基本方法。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

一、实验名称

TCP/UDP程序开发

二、实验目的

开发TCP/UDP协议应用程序，掌握网络应用程序的工作原理。通过该实验，深入理解UDP和TCP协议的异同点，了解网络协议的工作过程，学会网络通信编程的基本方法，能够编制网络应用程序。

三、实验内容及要求

（1）了解和掌握“基于UDP－面向无连接的应用程序/基于TCP－面向连接的应用程序”的运行机制和编程方法；
（2）编写一个网络通信应用程序：聊天程序；
（3）使用任意网络编程语言（Java、C、VB、Delphi、Python等）编写基于TCP或UDP协议的网络应用程序。
（4）总结实验过程：方案、编程、调试、结果、分析、结论。

四、实验设备

硬件要求
计算机、Internet网
软件要求
Windows操作系统、Microsoft Visual Studio2019.

五、实验步骤及记录

1. 方案

1.1 Win Sock编程

Win Sock编程是一种网络编程接口，实际上是作为TCP/IP协议的一种封装。可以通过调用WinSock的接口函数来调用TCP/IP的各种功能。
WinSock 编程简单流程：WinSock编程分为服务器端和客户端两部分。

1.2 服务器端编程步骤

2.1 使用WSAStartup()函数检查系统协议栈安装情况；

2.2 使用socket()函数创建服务器端通信套接字；

2.3 使用bind()函数将创建的套接字与服务器地址绑定；

2.4 使用listen()函数使服务器套接字做好接收连接请求准备;

2.5 使用accept()接收来自客户端由connect()函数发出的连接请求;

2.6 根据连接请求建立连接后，使用send()函数发送数据，或者使用recv()函数接收数据;

2.7 使用closesocket()函数关闭套接字;

2.8 最后调用WSACleanup()函数结束Winsock Sockets API。

1.3 客户端编程步骤

3.1 使用WSAStartup()函数检查系统协议栈安装情况；

3.2 使用socket()函数创建客户端套接字；

3.3 使用connect()函数发出也服务器建立连接的请求(调用前可以不用bind()端口号，由系统自动完成)；

3.4 连接建立后使用send()函数发送数据，或使用recv()函数接收数据；

3.5 使用closesocet()函数关闭套接字；

3.6 最后调用WSACleanup()函数，结束Winsock Sockets API。

2 应用进程跨越网络通信的编程基本方法（socket）及基本函数：

2.1 socket概述

在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现：即socket是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）。Socket()函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

socket是利用三元组解决网络通信的一个中间件工具，就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，如UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰）。

Socket通信的数据传输方式，常用的有两种：

SOCK_STREAM：表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。
SOCK_DGRAM：表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为SOCK_DGRAM 所做的校验工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。

2.2 socket基本函数

2.2.1 socket()函数

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

socket函数的三个参数分别为：

domain：即协议域，又称为协议簇（family）。常用的协议簇有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议簇决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议簇（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

2.2.2 bind()函数

bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议簇（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。
函数的三个参数分别为：

sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议簇的不同而不同，如ipv4对应的是：
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
};
struct in_addr {
uint32_t s_addr;
};
ipv6对应的是：
struct sockaddr_in6 {
sa_family_t sin6_family;
in_port_t sin6_port;
uint32_t sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
uint32_t sin6_scope_id;
};
struct in6_addr {
unsigned char s6_addr[16];
};
Unix域对应的是：
#define UNIX_PATH_MAX 108
struct sockaddr_un {
sa_family_t sun_family;
char sun_path[UNIX_PATH_MAX];
};
addrlen：对应的是地址的长度。
通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。因此，通常服务器端在listen()之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

2.2.3 listen()、connect()函数

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。
listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。
connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

2.2.4 accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

2.2.5 read()、write()函数

read()函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write()函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置error变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能：（1）write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。（2）返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

2.2.6 close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字。close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

3 编程原理

3.1 连接建立：服务器调用socket()、 bind()、 listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept()返回。

3.2 数据传输：建立连接后， TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，服务器从accept()返回后立刻调用read()，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客户端调用write()发送请求给服务器，服务器收到后从read()返回，对客户端的请求进行处理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答，服务器调用write()将处理结果发回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求，客户端收到后从read(