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完成了第 7 章 优雅的断开套接字的连接

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riba2534
2019-01-18 11:23:03 +08:00
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106
README.md
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@@ -232,7 +232,7 @@ gcc low_read.c -o lread
```
file descriptor: 3
file data: Let's go!
file data: Let's go!on
```
关于文件描述符的 I/O 操作到此结束，要明白，这些内容同样适合于套接字。
@@ -1647,9 +1647,113 @@ connect(sock, (struct sockaddr *)&adr, sizeof(adr));
### 7.1 基于 TCP 的半关闭
TCP 的断开连接过程比建立连接更重要，因为连接过程中一般不会出现大问题，但是断开过程可能发生预想不到的情况。因此应该准确掌控。所以要**掌握半关闭（Half-close）**，才能明确断开过程。
#### 7.1.1 单方面断开连接带来的问题
Linux 和 Windows 的 closesocket 函数意味着完全断开连接。完全断开不仅指无法传输数据，而且也不能接收数据。因此在某些情况下，通信一方单方面的断开套接字连接，显得不太优雅。如图所示：
![](https://i.loli.net/2019/01/18/5c412a8baa2d8.png)
图中描述的是 2 台主机正在进行双向通信，主机 A 发送完最后的数据后，调用 close 函数断开了最后的连接，之后主机 A 无法再接受主机 B 传输的数据。实际上，是完全无法调用与接受数据相关的函数。最终，由主机 B 传输的、主机 A 必须要接受的数据也销毁了。
为了解决这类问题，「只关闭一部分数据交换中使用的流」的方法应运而生。断开一部分连接是指，可以传输数据但是无法接收，或可以接受数据但无法传输。顾名思义就是只关闭流的一半。
#### 7.1.2 套接字和流（Stream）
两台主机通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，又称「流形成的状态」。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看作一种流。
此处的流可以比作水流。水朝着一个方向流动，同样，在套接字的流中，数据也止呕能向一个方向流动。因此，为了进行双向通信，需要如图所示的两个流：
![](https://i.loli.net/2019/01/18/5c412c3ba25dd.png)
一旦两台主机之间建立了套接字连接，每个主机就会拥有单独的输入流和输出流。当然，其中一个主机的输入流与另一个主机的输出流相连，而输出流则与另一个主机的输入流相连。另外，本章讨论的「优雅的断开连接方式」只断开其中 1 个流，而非同时断开两个流。Linux 和 Windows 的 closesocket 函数将同时断开这两个流，因此与「优雅」二字还有一段距离。
#### 7.1.3 针对优雅断开的 shutdown 函数
shutdown 用来关闭其中一个流：
```c
#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sock, int howto);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
sock: 需要断开套接字文件描述符
howto: 传递断开方式信息
*/
```
调用上述函数时，第二个参数决定断开连接的方式，其值如下所示：
- `SHUT_RD` : 断开输入流
- `SHUT_WR` : 断开输出流
- `SHUT_RDWR` : 同时断开 I/O 流
若向 shutdown 的第二个参数传递`SHUT_RD`，则断开输入流，套接字无法接收数据。即使输入缓冲收到数据也回抹去，而且无法调用相关函数。如果向 shutdown 的第二个参数传递`SHUT_WR`，则中断输出流，也就无法传输数据。若如果输出缓冲中还有未传输的数据，则将传递给目标主机。最后，若传递关键字`SHUT_RDWR`，则同时中断 I/O 流。这相当于分 2 次调用 shutdown ，其中一次以`SHUT_RD`为参数，另一次以`SHUT_WR`为参数。
#### 7.1.4 为何要半关闭
考虑以下情况：
> 一旦客户端连接到服务器，服务器将约定的文件传输给客户端，客户端收到后发送字符串「Thank you」给服务器端。
此处「Thank you」的传递是多余的，这只是用来模拟客户端断开连接前还有数据要传输的情况。此时程序的还嫌难度并不小，因为传输文件的服务器端只需连续传输文件数据即可，而客户端无法知道需要接收数据到何时。客户端也没办法无休止的调用输入函数，因为这有可能导致程序**阻塞**。
> 是否可以让服务器和客户端约定一个代表文件尾的字符？
这种方式也有问题，因为这意味这文件中不能有与约定字符相同的内容。为了解决该问题，服务端应最后向客户端传递 EOF 表示文件传输结束。客户端通过函数返回值接受 EOF ，这样可以避免与文件内容冲突。那么问题来了，服务端如何传递 EOF ？
> 断开输出流时向主机传输 EOF。
当然，调用 close 函数的同时关闭 I/O 流，这样也会向对方发送 EOF 。但此时无法再接受对方传输的数据。换言之，若调用 close 函数关闭流，就无法接受客户端最后发送的字符串「Thank you」。这时需要调用 shutdown 函数，只关闭服务器的输出流。这样既可以发送 EOF ，同时又保留了输入流。下面实现收发文件的服务器端/客户端。
#### 7.1.5 基于半关闭的文件传输程序
上述文件传输服务器端和客户端的数据流可以整理如图：
![](https://i.loli.net/2019/01/18/5c41326280ab5.png)
下面的代码为编程简便，省略了大量错误处理代码。
- [file_client.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch07/file_client.c)
- [file_server.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch07/file_server.c)
编译运行：
```shell
gcc file_client.c -o fclient
gcc file_server.c -o fserver
./fserver 9190
./fclient 127.0.0.1 9190
```
结果：
![](https://i.loli.net/2019/01/18/5c4140bc8db2f.png)
客户端接受完成后，服务器会接收到来自客户端的感谢信息。
### 7.2 基于 Windows 的实现
暂略
### 7.3 习题
> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案
1. **解释 TCP 中「流」的概念。UDP 中能否形成流？请说明原因。**
答：两台主机中通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，又称「流形成的状态」。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看做一种流。UDP 没有建立连接的过程，所以不能形成流。
2. **Linux 中的 close 函数或 Windows 中的 closesocket 函数属于单方面断开连接的方法，有可能带来一些问题。什么是单方面断开连接？什么情形下会出现问题？**
答：单方面断开连接就是两台主机正在通信，其中一台主机关闭了所有连接，那么一台主机向另一台主机传输的数据可能会没有接收到而损毁。传输文件的服务器只需连续传输文件数据即可，而客户端不知道需要接收数据到何时。客户端也没有办法无休止的调用输入函数。现在需要一个 EOF 代表数据已经传输完毕，那么这时就需要半关闭，服务端把自己的输出流关了，这时客户端就知数据已经传输完毕，因为服务端的输入流还没关，客户端可以给服务器汇报，接收完毕。
3. **什么是半关闭？针对输出流执行半关闭的主机处于何种状态？半关闭会导致对方主机接收什么消息？**
答：半关闭就是把输入流或者输出流关了。针对输出流执行半关闭的主机处于可以接收数据而不能发送数据。半关闭会导致对方主机接收一个 EOF 文件结束符。对方就知道你的数据已经传输完毕。
## 第 8 章 域名及网络地址

113
ch07/README.md Normal file
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@@ -0,0 +1,113 @@
## 第 7 章 优雅的断开套接字的连接
本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
本章讨论如何优雅的断开套接字的连接，之前用的方法不够优雅是因为，我们是调用 close 函数或 closesocket 函数单方面断开连接的。
### 7.1 基于 TCP 的半关闭
TCP 的断开连接过程比建立连接更重要，因为连接过程中一般不会出现大问题，但是断开过程可能发生预想不到的情况。因此应该准确掌控。所以要**掌握半关闭（Half-close）**，才能明确断开过程。
#### 7.1.1 单方面断开连接带来的问题
Linux 和 Windows 的 closesocket 函数意味着完全断开连接。完全断开不仅指无法传输数据，而且也不能接收数据。因此在某些情况下，通信一方单方面的断开套接字连接，显得不太优雅。如图所示：
![](https://i.loli.net/2019/01/18/5c412a8baa2d8.png)
图中描述的是 2 台主机正在进行双向通信，主机 A 发送完最后的数据后，调用 close 函数断开了最后的连接，之后主机 A 无法再接受主机 B 传输的数据。实际上，是完全无法调用与接受数据相关的函数。最终，由主机 B 传输的、主机 A 必须要接受的数据也销毁了。
为了解决这类问题，「只关闭一部分数据交换中使用的流」的方法应运而生。断开一部分连接是指，可以传输数据但是无法接收，或可以接受数据但无法传输。顾名思义就是只关闭流的一半。
#### 7.1.2 套接字和流（Stream）
两台主机通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，又称「流形成的状态」。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看作一种流。
此处的流可以比作水流。水朝着一个方向流动，同样，在套接字的流中，数据也止呕能向一个方向流动。因此，为了进行双向通信，需要如图所示的两个流：
![](https://i.loli.net/2019/01/18/5c412c3ba25dd.png)
一旦两台主机之间建立了套接字连接，每个主机就会拥有单独的输入流和输出流。当然，其中一个主机的输入流与另一个主机的输出流相连，而输出流则与另一个主机的输入流相连。另外，本章讨论的「优雅的断开连接方式」只断开其中 1 个流，而非同时断开两个流。Linux 和 Windows 的 closesocket 函数将同时断开这两个流，因此与「优雅」二字还有一段距离。
#### 7.1.3 针对优雅断开的 shutdown 函数
shutdown 用来关闭其中一个流：
```c
#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sock, int howto);
/*
成功时返回 0 ，失败时返回 -1
sock: 需要断开套接字文件描述符
howto: 传递断开方式信息
*/
```
调用上述函数时，第二个参数决定断开连接的方式，其值如下所示：
- `SHUT_RD` : 断开输入流
- `SHUT_WR` : 断开输出流
- `SHUT_RDWR` : 同时断开 I/O 流
若向 shutdown 的第二个参数传递`SHUT_RD`，则断开输入流，套接字无法接收数据。即使输入缓冲收到数据也回抹去，而且无法调用相关函数。如果向 shutdown 的第二个参数传递`SHUT_WR`，则中断输出流，也就无法传输数据。若如果输出缓冲中还有未传输的数据，则将传递给目标主机。最后，若传递关键字`SHUT_RDWR`，则同时中断 I/O 流。这相当于分 2 次调用 shutdown ，其中一次以`SHUT_RD`为参数，另一次以`SHUT_WR`为参数。
#### 7.1.4 为何要半关闭
考虑以下情况：
> 一旦客户端连接到服务器，服务器将约定的文件传输给客户端，客户端收到后发送字符串「Thank you」给服务器端。
此处「Thank you」的传递是多余的，这只是用来模拟客户端断开连接前还有数据要传输的情况。此时程序的还嫌难度并不小，因为传输文件的服务器端只需连续传输文件数据即可，而客户端无法知道需要接收数据到何时。客户端也没办法无休止的调用输入函数，因为这有可能导致程序**阻塞**。
> 是否可以让服务器和客户端约定一个代表文件尾的字符？
这种方式也有问题，因为这意味这文件中不能有与约定字符相同的内容。为了解决该问题，服务端应最后向客户端传递 EOF 表示文件传输结束。客户端通过函数返回值接受 EOF ，这样可以避免与文件内容冲突。那么问题来了，服务端如何传递 EOF ？
> 断开输出流时向主机传输 EOF。
当然，调用 close 函数的同时关闭 I/O 流，这样也会向对方发送 EOF 。但此时无法再接受对方传输的数据。换言之，若调用 close 函数关闭流，就无法接受客户端最后发送的字符串「Thank you」。这时需要调用 shutdown 函数，只关闭服务器的输出流。这样既可以发送 EOF ，同时又保留了输入流。下面实现收发文件的服务器端/客户端。
#### 7.1.5 基于半关闭的文件传输程序
上述文件传输服务器端和客户端的数据流可以整理如图：
![](https://i.loli.net/2019/01/18/5c41326280ab5.png)
下面的代码为编程简便，省略了大量错误处理代码。
- [file_client.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch07/file_client.c)
- [file_server.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch07/file_server.c)
编译运行：
```shell
gcc file_client.c -o fclient
gcc file_server.c -o fserver
./fserver 9190
./fclient 127.0.0.1 9190
```
结果：
![](https://i.loli.net/2019/01/18/5c4140bc8db2f.png)
客户端接受完成后，服务器会接收到来自客户端的感谢信息。
### 7.2 基于 Windows 的实现
暂略
### 7.3 习题
> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案
1. **解释 TCP 中「流」的概念。UDP 中能否形成流？请说明原因。**
答：两台主机中通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，又称「流形成的状态」。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看做一种流。UDP 没有建立连接的过程，所以不能形成流。
2. **Linux 中的 close 函数或 Windows 中的 closesocket 函数属于单方面断开连接的方法，有可能带来一些问题。什么是单方面断开连接？什么情形下会出现问题？**
答：单方面断开连接就是两台主机正在通信，其中一台主机关闭了所有连接，那么一台主机向另一台主机传输的数据可能会没有接收到而损毁。传输文件的服务器只需连续传输文件数据即可，而客户端不知道需要接收数据到何时。客户端也没有办法无休止的调用输入函数。现在需要一个 EOF 代表数据已经传输完毕，那么这时就需要半关闭，服务端把自己的输出流关了，这时客户端就知数据已经传输完毕，因为服务端的输入流还没关，客户端可以给服务器汇报，接收完毕。
3. **什么是半关闭？针对输出流执行半关闭的主机处于何种状态？半关闭会导致对方主机接收什么消息？**
答：半关闭就是把输入流或者输出流关了。针对输出流执行半关闭的主机处于可以接收数据而不能发送数据。半关闭会导致对方主机接收一个 EOF 文件结束符。对方就知道你的数据已经传输完毕。

51
ch07/file_client.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,51 @@
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
int main(int argc, char *argv[])
{
int sd;
FILE *fp;
char buf[BUF_SIZE];
int read_cnt;
struct sockaddr_in serv_adr;
if (argc != 3)
{
printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
fp = fopen("receive.cpp", "wb");
sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
connect(sd, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
while ((read_cnt = read(sd, buf, BUF_SIZE)) != 0)
fwrite((void *)buf, 1, read_cnt, fp);
puts("Received file data");
write(sd, "Thank you", 10);
fclose(fp);
close(sd);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}

68
ch07/file_server.c Normal file
View File

@@ -0,0 +1,68 @@
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
int main(int argc, char *argv[])
{
int serv_sd, clnt_sd;
FILE *fp;
char buf[BUF_SIZE];
int read_cnt;
struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
socklen_t clnt_adr_sz;
if (argc != 2)
{
printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
fp = fopen("file_server.c", "rb");
serv_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
serv_adr.sin_family = AF_INET;
serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
bind(serv_sd, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
listen(serv_sd, 5);
clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
clnt_sd = accept(serv_sd, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
while (1)
{
//从文件流中读取数据，buffer为接收数据的地址，size为一个单元的大小，count为单元个数，stream为文件流
//返回实际读取的单元个数
read_cnt = fread((void *)buf, 1, BUF_SIZE, fp);
if (read_cnt < BUF_SIZE)
{
write(clnt_sd, buf, read_cnt);
break;
}
write(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
}
shutdown(clnt_sd, SHUT_WR);
read(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
printf("Message from client: %s \n", buf);
fclose(fp);
close(clnt_sd);
close(serv_sd);
return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
fputs(message, stderr);
fputc('\n', stderr);
exit(1);
}