一、C语言中的Socket网络编程

1. 什么是Socket？

如果要用一句话来概括的话，我觉的是”Socket是一种抽象的概念，用来描述网络连接的重点“。

Socket（套接字）是一种网络通信的端点，是用于不同主机间进行网络通信的编程接口。在Unix系统中，Socket起源于“一切皆文件”的哲学，网络通信可以像文件操作一样，通过“打开-读写-关闭”的模式进行。Socket分为流套接字和数据报套接字，前者基于TCP协议，提供可靠的、面向连接的数据传输，适用于网页浏览和文件传输等应用；后者基于UDP协议，提供无连接的、尽最大努力的数据传输，适用于视频通话和在线游戏等实时应用。端口号用于区分同一主机上的不同应用程序，每个Socket在创建时需绑定一个特定端口号，以确保数据能正确传输到对应的应用。Socket编程包括创建套接字、绑定地址、监听连接、接受连接、建立连接、数据传输和关闭套接字等基本操作，使得应用程序能够在网络中进行高效通信。

2. 客户/服务器模式

在TCP/IP网络应用中，通信通常采用客户/服务器（Client/Server, C/S）模式。服务器等待并处理客户端请求，客户端发起服务请求并接收响应。

服务器端流程：

  1. 打开通信通道并在特定端口等待客户端请求。
  2. 接收到客户端请求后，处理请求并发送应答。
  3. 处理并发请求时，创建新进程处理每个客户端请求。
  4. 服务完成后，关闭通信通道并终止新进程。

客户端流程：

  1. 打开通信通道并连接到服务器的特定端口。
  2. 向服务器发送请求并接收应答。
  3. 请求结束后关闭通信通道并终止。

3. C语言中基本套接字库函数

  1. 创建套接字：socket()

    创建一个新的套接字。

  2. 绑定地址：bind()

    将套接字绑定到本地地址和端口。

  3. 监听连接：listen()

    使套接字进入监听状态，等待客户端连接。

  4. 接受连接：accept()

    接受客户端连接请求，返回新的套接字用于通信。

  5. 建立连接：connect()

    客户端使用该函数连接到服务器。

  6. 数据传输：send()和recv()

    发送数据到已连接的套接字或从已连接的套接字接收数据。

  7. 关闭套接字：close()

    关闭套接字，释放资源。

有关每个函数的更多说明讲解，将在后续随代码附上。

二、实验概述

1. 实验内容

实现两个程序：服务器端和客户端

  • 客户端发送文件传输请求，服务器端将文件数据发送给客户端
  • 两个程序均在命令行方式下运行
  • 客户端在命令行指定服务器的IP地址和文件名
  • 为防止重名，客户端将收到的文件改名后保存在当前目录下
  • 要求至少能传输一个文本文件和一个图片文件

在服务器端，应输出：

  • 客户端的IP地址和端口号
  • 发送的文件数据总字节数或者差错报告
  • 必要的差错报告，如文件不存在

在客户端，应输出：

  • 新文件名
  • 传输总字节数
  • 差错报告

2. 实验环境

操作系统：Windows 11

开发工具：VScode

编程语言：C

编译器: GCC

3. 软件设计

3.1 数据结构

结构体

在这个程序中，我们没有自定的结构体，而是调用了很多库函数中的结构体，这里就取两个代表性的为例。

  • sockaddr_in：用于存储IP地址和端口号的结构体。

    struct sockaddr_in {
    short sin_family;       // 地址族 (程序中的AF_INET表示使用IPV4地址)
    unsigned short sin_port;// 端口号
    struct in_addr sin_addr;// IP地址
    char sin_zero[8];       // 填充，使结构与sockaddr结构大小相同
};

  • WSADATA：用于存储Windows Sockets初始化信息的结构体。

    typedef struct WSAData {
    WORD wVersion;      // Winsock版本
    WORD wHighVersion;  // 支持的最高版本
    char szDescription[WSADESCRIPTION_LEN + 1]; // 描述字符串
    char szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN + 1]; // 系统状态字符串
    unsigned short iMaxSockets;    // 最大套接字数
    unsigned short iMaxUdpDg;      // 最大UDP数据报大小
    char *lpVendorInfo;            // 供应商信息
} WSADATA;

宏定义常量

BUF_SIZE：用于定义缓冲区的大小，我们将客户端跟服务端的缓冲区都设为了1024字节。

#define BUF_SIZE 1024 // 缓冲区大小

全局变量

两个程序都没有使用到全局变量，所有变量都在函数内部定义（包括main函数）。

局部变量

客户端程序 client.c：

  • WSADATA wsaData;用于存储Windows Sockets初始化信息。通过调用 WSAStartup 函数初始化Winsock库，这是程序的第一步，以确保后续的Socket操作可以正常进行。
  • SOCKET clientSocket;用于创建客户端套接字。通过调用 socket 函数建立套接字。这个套接字用于连接服务器并进行文件传输。
  • struct sockaddr_in serverAddr;用于存储服务器的IP地址和端口号。通过设置地址族（AF_INET）、端口号和IP地址来初始化，然后用于连接到服务器。具体连接操作通过 connect 函数实现。
  • char buffer[BUF_SIZE];数据缓冲区，用于暂存从服务器接收到的数据。数据通过 recv 函数接收并存储在此缓冲区中，然后使用 fwrite 将其写入文件。
  • int bytesReceived;用于存储每次从服务器接收到的字节数。在接收文件数据时，通过 recv 函数更新此变量，用于记录接收进度。
  • size_t totalBytesReceived;用于存储从服务器接收到的总字节数。记录文件传输的总进度和完成情况。
  • char newFilename[BUF_SIZE];用于存储接收到文件的新文件名，以避免文件名冲突。构造格式为 received_<filename>。

服务端程序 server.c：

  • WSADATA wsaData;用于存储Windows Sockets初始化信息。通过调用 WSAStartup 函数初始化Winsock库，确保后续的Socket操作可以正常进行。
  • SOCKET serverSocket;用于创建服务器套接字。通过调用 socket 函数建立套接字，后续用于监听客户端连接。通过 bind 函数将套接字绑定到特定端口，并通过 listen 函数进入监听状态。
  • SOCKET clientSocket;用于与连接到服务器的客户端进行数据通信。通过调用 accept 函数获得客户端的连接套接字，然后与客户端进行数据传输。
  • struct sockaddr_in serverAddr;用于存储服务器的IP地址和端口号。通过设置地址族（AF_INET）、端口号和监听的所有可用IP地址来初始化，然后用于绑定到服务器套接字。
  • struct sockaddr_in clientAddr;用于存储连接到服务器的客户端的IP地址和端口号。通过 accept 函数获得，并用于标识和记录客户端连接。
  • int clientAddrSize;用于存储客户端地址结构的大小。传递给 accept 函数以获得客户端地址信息。
  • char buffer[BUF_SIZE];数据缓冲区，用于暂存从文件中读取的数据。通过 fopen 打开文件，读取数据到 buffer 中，再通过 send 函数将其发送给客户端。
  • int bytesRead;用于存储每次从文件中读取的字节数。在发送文件数据时，通过 fread 函数更新此变量，用于记录读取进度。
  • int totalBytesSent;用于存储发送给客户端的总字节数。记录文件传输的总进度和完成情况。

3.2 算法流程

以下是使用Visio绘制的两个程序的执行流程图：

image-20240611223221286

三、代码设计

1. 客户端(client.c)

导入库

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <windows.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // 链接Ws2_32.lib库
#define BUF_SIZE 1024 // 缓冲区大小

receiveFile函数

功能：接收服务器发送的文件并保存到本地。

void receiveFile(SOCKET serverSocket, const char* newFilename) {
    FILE *file = fopen(newFilename, "wb"); // 打开文件（以二进制写模式）
    if (file == NULL) {
        printf("Error creating file: %s\n", newFilename); 
// 如果文件创建失败，输出错误信息
        return;
    }
    char buffer[BUF_SIZE]; // 数据缓冲区
    int bytesReceived = 0;
    size_t totalBytesReceived = 0;
    // 循环接收数据直到没有数据可接收
    while ((bytesReceived = recv(serverSocket, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0) {
        fwrite(buffer, 1, bytesReceived, file); // 将接收到的数据写入文件
        totalBytesReceived += bytesReceived; // 记录接收到的总字节数
    }
    fclose(file); // 关闭文件
    if (totalBytesReceived == 0) {
        printf("No such file.\n"); // 如果没有接收到任何数据，提示文件不存在
        remove(newFilename); // 删除创建的空文件
} else {
    		printf("New filename: %s\n", newFilename);
        printf("File received successfully!\n New file name: %s\n Total bytes received: %zu\n", newFilename, totalBytesReceived); 
        // 提示文件接收成功并显示接收的总字节数
    }}

main函数

功能：初始化客户端，连接服务器并请求文件。

  1. 指定服务器的IP地址和文件名

    int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 3) {
        printf("Usage: %s <Server IP> <File Name>\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    const char* serverIp = argv[1];
    const char* filename = argv[2]

  2. 初始化 Windows Sockets 环境

        WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData); // 初始化Winsock
SOCKET clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); 
// 创建客户端Socket
    if (clientSocket == INVALID_SOCKET) {
        printf("Socket creation failed: %d\n", WSAGetLastError()); 
// 创建Socket失败
        WSACleanup();
        return 1;
    }

  3. 配置服务器地址信息，连接到制定IP，端口1145。如果连接失败，打印错误信息并退出程序

    	struct sockaddr_in serverAddr;
    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr)); // 清空结构体
    serverAddr.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为IPv4
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverIp); // 设置IP地址
    serverAddr.sin_port = htons(1145); // 设置端口号
    // 连接到服务器
    if (connect(clientSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, 			 sizeof(serverAddr)) < 0) {
        printf("Connection failed: %d\n", WSAGetLastError()); // 连接失败
        closesocket(clientSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    memset 是 C 语言标准库中的一个函数，用于将一块内存中的所有字节设置为指定的值。它通常用于初始化内存区域，比如设置数组或结构体的所有字节为零。我们先将serverAddr结构体这片地址内的内容置零清空以防止干扰。

  4. 将用户输入的文件名发送给服务器，构造一个新的文件名，并调用 receiveFile函数接收文件并保存到本地

        send(clientSocket, filename, strlen(filename), 0); // 发送文件名到服务器
    char newFilename[BUF_SIZE];
snprintf(newFilename, sizeof(newFilename), "received_%s", filename); 
// 构造接收文件的文件名
    receiveFile(clientSocket, newFilename); // 接收文件

    printf、sprintf 和 snprintf 都是用于格式化输出的 C 标准库函数，但它们在使用场景和功能上有一些区别。printf：用于将格式化的输出写入标准输出（通常是屏幕），适用于需要在控制台显示输出的情况。sprintf：用于将格式化的输出写入字符串缓冲区，但不会检查缓冲区大小，存在缓冲区溢出风险。snprintf：用于将格式化的输出写入字符串缓冲区，并限制写入的最大字符数，以防止缓冲区溢出，是 sprintf 的安全替代方案。

    在程序的代码中使用了snprintf，他接收了四个参数：

    • newFilename 是缓冲区，用于存放生成的新文件名。
    • sizeof(newFilename)指定要写入的最大字符数，包括终止的空字符 \0。
    • 后面两个就是构造新的名字，在原本的文件名前面拼接一个received_。

  5. 关闭套接字并清理

        closesocket(clientSocket); // 关闭客户端Socket
    WSACleanup(); // 清理Winsock
    return 0;
}

2. 服务器端(server.c)

导入库

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <windows.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // 链接Ws2_32.lib库
#define BUF_SIZE 1024 // 缓冲区大小

sendFile函数

功能：从指定文件中读取数据并发送到客户端。

void sendFile(SOCKET clientSocket, const char* filename) {
    FILE *file = fopen(filename, "rb"); // 打开文件（以二进制模式）
    if (file == NULL) {
        printf("File not found: %s\n", filename); 
// 如果文件不存在，输出错误信息
return;
}
char buffer[BUF_SIZE]; // 数据缓冲区
    int bytesRead = 0;
    int totalBytesSent = 0;
    while ((bytesRead = fread(buffer, 1, BUF_SIZE, file)) > 0) {
        // 读取文件内容并发送给客户端
        int bytesSent = send(clientSocket, buffer, bytesRead, 0);
        if (bytesSent == SOCKET_ERROR) {
            printf("Send failed: %d\n", WSAGetLastError()); // 发送失败
            fclose(file); // 关闭文件
            return;
        }
        totalBytesSent += bytesSent;
    }
    fclose(file); // 关闭文件
    printf("Total bytes sent: %d\n", totalBytesSent); // 输出发送的总字节数
}

main函数

功能：初始化服务器，监听客户端连接并处理文件传输请求。

  1. 初始化 Windows Sockets 环境

    int main() {
    WSADATA wsaData;
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) { // 初始化Winsock
        printf("WSAStartup failed: %d\n", WSAGetLastError());
        return 1;
    }

SOCKET serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); 
// 创建服务器Socket
    if (serverSocket == INVALID_SOCKET) {
        printf("Socket creation failed: %d\n", WSAGetLastError()); 
// 创建Socket失败
        WSACleanup();
        return 1;
    }

  2. 将套接字绑定到本地地址。如果绑定失败，打印错误信息并退出程序

        struct sockaddr_in serverAddr;
    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr)); // 清空结构体
    serverAddr.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为IPv4
    serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有可用IP地址
    serverAddr.sin_port = htons(1145); // 设置端口号
    if (bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) 		== SOCKET_ERROR) {
        printf("Bind failed: %d\n", WSAGetLastError()); // 绑定Socket失败
        closesocket(serverSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

  3. 设置套接字为监听状态，最多允许 1 个客户端连接等待。如果监听失败，打印错误信息并出程序

        if (listen(serverSocket, SOMAXCONN) == SOCKET_ERROR) {
        printf("Listen failed: %d\n", WSAGetLastError()); // 监听Socket失败
        closesocket(serverSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }
    printf("Server is listening on port 1145\n"); // 服务器正在监听端口1145

  4. 获取客户端的IP地址和端口号。从客户端接收文件名。如果接收成功，打印请求的文件名并调用 sendFile 函数发送文件。否则，打印错误信息

        struct sockaddr_in clientAddr;
    int clientAddrSize = sizeof(clientAddr);
    SOCKET clientSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&clientAddr, 								  &clientAddrSize); // 接受客户端连接
    if (clientSocket == INVALID_SOCKET) {
        printf("Accept connection failed: %d\n", WSAGetLastError()); 
// 接受连接失败
        closesocket(serverSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }
    char* clientIp = inet_ntoa(clientAddr.sin_addr);
    printf("Client connected: IP = %s, Port = %d\n", clientIp, 			 ntohs(clientAddr.sin_port)); // 打印客户端的IP地址和端口号
    sendFile(clientSocket, filename); // 发送文件给客户端

  5. 关闭套接字并清理

        closesocket(clientSocket); // 关闭客户端Socket
    closesocket(serverSocket); // 关闭服务器Socket
    WSACleanup(); // 清理Winsock
    printf("Press any key to exit...\n");
    getchar(); // 等待用户输入以防止窗口立即关闭
    return 0;
}

四、效果演示

1. 文本文件传输

传输文件为server文件夹下的test.txt文件。

img

  1. 在命令行中执行server.exe，打开服务器端。

    img

  2. 在命令行中执行client.exe，打开客户端，并指定服务器IP地址和要接收的文件。

    img

  3. 文件传输成功后服务器端输出：

    img

  4. 查看client文件夹，发现存在received_test.txt，文本文件传输成功。

    img

2. 图片文件传输

传输文件为server文件夹下的test.jpg文件

img

  1. 在命令行中执行server.exe，打开服务器端。

    img

  2. 在命令行中执行client.exe，打开客户端，并指定服务器IP地址和要接收的文件。

    img

  3. 文件传输成功后服务器端输出：

    img

  4. 查看client文件夹，发现存在received_test.jpg，图片文件传输成功。

    img

3. 差错报告

若输入文件不存在

客户端差错报告：

img

服务器端差错报告：

img

其他差错报告在代码设计处已经给出。

五、问题与解决方案

1. 编译报错问题

问题描述：

VScode直接编译报错

img

解决方案：

通过查阅资料得知对于 gcc 编译器（特别是在 MinGW 上），需要使用 -lwsock32 参数来链接 Ws2_32.lib 库。这是因为 gcc 不自动链接该库，而 -l 选项用于指定链接器应链接的库文件。

image-20240611231209878

在命令行输入上述指令后编译成功。

2. IP地址输出不一致问题

问题描述：

客户端指定的IP地址与服务器端输出的IP地址不一致

客户端指定IP：127.0.0.2

img

服务器端输出IP：127.0.0.1

img

解决方案：

通过查阅资料得知在大多数操作系统中，127.0.0.1 被认为是环回地址（loopback address），也就是本地回环地址（localhost），而任何 127.0.0.x 地址都属于回环地址范围。即使客户端指定了 127.0.0.2 作为目标 IP 地址，连接建立时，服务器端看到的 IP 地址可能会被视为 127.0.0.1，因为所有 127.0.0.x 地址在网络层面上都等同于 127.0.0.1。

六、实验收获和总结

通过本次实验，我学到了以下几点：

  1. TCP协议的实现：通过编写客户端和服务器端程序，我深入理解了TCP协议的工作原理，尤其是连接建立、数据传输和连接关闭的过程。
  2. Socket编程：我掌握了在C语言中使用Socket编程的基本方法，包括Socket的创建、绑定、监听、连接和数据传输等操作。
  3. 错误处理：在编写代码的过程中，我遇到了多种编译和运行时错误。通过查阅资料和调试代码，我提高了问题解决和调试能力。例如，编译报错需要链接特定的库文件，以及IP地址显示不一致的问题。
  4. 文件传输：我实现了文本文件和图片文件的传输，学会了如何处理二进制文件和文本文件的读取和写入操作，增强了对文件操作的理解。

本次实验让我在实践中加深了对TCP协议和Socket编程的理解。尽管在实现过程中遇到了一些困难，但通过不断地查阅资料和调试，最终成功实现了文件传输功能。同时，我意识到在网络编程中，处理各种可能的错误和异常情况是非常重要的，这对编写健壮的网络应用程序至关重要。总体来说，本次实验不仅提高了我的编程能力，还增强了我解决实际问题的能力，为以后深入学习网络编程打下了坚实的基础。