1 問題引出

在進(jìn)行socket通信開發(fā)時(shí)，一般會(huì)用到TCP或UDP這兩種傳輸層協(xié)議，UDP（User Datagram Protocol）是一種面向無連接的協(xié)議，在數(shù)據(jù)發(fā)送前，不需要提前建立連接，它可以更高效地傳輸數(shù)據(jù)，但可靠性無法保證。TCP（Transmission Control Protocol）是一種面向連接的協(xié)議，一個(gè)應(yīng)用程序開始向另一個(gè)應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須先進(jìn)行握手連接，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。所以，對(duì)于數(shù)據(jù)可靠性要求較高的場(chǎng)合，一般使用TCP協(xié)議通信。

在使用TCP方式的socket編程，客戶端需要知道服務(wù)端的IP和端口號(hào)，然后向服務(wù)端申請(qǐng)連接，對(duì)于端口號(hào)，可以事先固定一個(gè)特定的端口號(hào)，但對(duì)于IP地址，在實(shí)際的開發(fā)使用中，比如嵌入式開發(fā)中，兩個(gè)連網(wǎng)的硬件需要進(jìn)行TCP通信，在建立通信，客戶端硬件是不知道服務(wù)端硬件IP的（除了程序開發(fā)階段，事先知道IP，將IP寫死到程序中），因?yàn)橥ǔＧ闆r下IP是由路由器分配的，不是一個(gè)固定值，這種情況，客戶端如何自動(dòng)獲取服務(wù)端的IP來建立TCP通信呢？

2 解決方案

本篇就來實(shí)現(xiàn)一種解決方法：在建立TCP通信前，可以先通過UDP通信來獲取服務(wù)端的IP。

UDP具有廣播功能，客戶端可以通過UDP廣播，向局域網(wǎng)內(nèi)的所有設(shè)置發(fā)送廣播包，可以事先定義一種廣播協(xié)議，服務(wù)端在收到特定的廣播包后，判斷為有客戶端需要請(qǐng)求連接，則將自己的IP地址發(fā)送出去，當(dāng)客戶端收到服務(wù)端發(fā)出的IP信息后，即可通過解析到的服務(wù)端IP地址，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)端進(jìn)行TCP連接。

3 編程實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行客戶端與服務(wù)端的socket編程之前，先實(shí)現(xiàn)一些兩個(gè)程序都會(huì)用到的功能代碼。

3.1 公共代碼塊

服務(wù)端要將自己的IP發(fā)給客戶端，首先要能自動(dòng)獲取到自己的IP，客戶端在進(jìn)行UDP廣播時(shí)，也可以將自己的IP也一起發(fā)出去作為附加信息，所以，需要先實(shí)現(xiàn)一個(gè)獲取自己IP地址的函數(shù)：

#define ETH_NAME "wlan0" //獲取本機(jī)ip(根據(jù)實(shí)際情況修改ETH_NAME) bool get_local_ip(std::string &ip) { int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (sock == -1) 
    { printf("[%s] socket err!\n", __func__); return false;
    } struct ifreq ifr; memcpy(&ifr.ifr_name, ETH_NAME, IFNAMSIZ);
    ifr.ifr_name[IFNAMSIZ - 1] = 0; if (ioctl(sock, SIOCGIFADDR, &ifr) < 0) 
    { printf("[%s] ioctl err!\n", __func__); return false;
    } struct sockaddr_in sin; memcpy(&sin, &ifr.ifr_addr, sizeof(sin));
    ip = std::string(inet_ntoa(sin.sin_addr)); return true;
}

在進(jìn)行UDP廣播時(shí)，客戶端與服務(wù)端需要事先規(guī)定一種信息格式，當(dāng)格式符合時(shí)，說明是客戶端要請(qǐng)求IP信息，以及服務(wù)端返回的IP信息，本篇的測(cè)試程序，規(guī)定一種比較簡(jiǎn)單的方式：

• 客戶端請(qǐng)求服務(wù)端IP的信息格式為：字符串"new_client_ip"+分隔符“:”+客戶端自己的IP
• 服務(wù)端回復(fù)自己的IP的信息格式為：字符串"server_ip"+分隔符“:”+服務(wù)端自己的IP

因?yàn)檫@里的信息是字符串，并以冒號(hào)分割符來分隔信息段，因此，需要先編寫一個(gè)能拆分字符串的函數(shù)：

#define REQUEST_INFO "new_client_ip" //客戶端發(fā)送的廣播信息頭 #define REPLAY_INFO "server_ip" //服務(wù)端回復(fù)的信息頭 #define INFO_SPLIT std::string(":") //信息分割符 //對(duì)c字符串按照指定分割符拆分為多個(gè)string字符串 void cstr_split(char *cstr, vector<std::string> &res, std::string split = INFO_SPLIT) {        
    res.clear(); char *token = strtok(cstr, split.c_str()); while(token)
    {
        res.push_back(std::string(token)); printf("[%s] token:%s\n", __func__, token);
        token = strtok(NULL, split.c_str());
    }
} //---------使用示例: 解析服務(wù)器的ip---------- char recvbuf[100]={0}; //...接收服務(wù)端返回的信息 vector<std::string> recvInfo;
cstr_split(recvbuf, recvInfo); if(recvInfo.size() == 2 && recvInfo[0] == REPLAY_INFO)
{ std::string serverIP = recvInfo[1]; //...后續(xù)處理 

在進(jìn)行UDP廣播前，需要先設(shè)置該套接字為廣播類型，這里將此部分代碼封裝為一個(gè)函數(shù)

//設(shè)置該套接字為廣播類型  void set_sockopt_broadcast(int socket, bool bEnable = true) { const int opt = (int)bEnable; int nb = setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, (char *)&opt, sizeof(opt)); if(nb == -1)  
    { printf("[%s] set socket error\n", __func__); return;  
    }  
}

3.2 客戶端程序

3.2.1 客戶端進(jìn)行UDP廣播

客戶端進(jìn)行UDP廣播的主要邏輯是：

• 獲取自己的IP（作為UDP廣播的附加信息）
• 創(chuàng)建一個(gè)socket，類型為UDP數(shù)據(jù)報(bào)（SOCK_DGRAM）
• sockaddrd的IP設(shè)置為廣播IP（INADDR_BROADCAST, 255.255.255.255）
• 為socket添加廣播屬性（setsockopt，SO_BROADCAST）
• 發(fā)送UDP廣播報(bào)（sendto）
• 接收UDP回復(fù)信息（recvfrom），接收設(shè)置超時(shí)時(shí)間（setsockopt，SO_RCVTIMEO），沒收到服務(wù)端回復(fù)則繼續(xù)廣播
• 收到服務(wù)端回復(fù)后，解析出服務(wù)端的IP地址，然后即可中止廣播

具體代碼實(shí)現(xiàn)如下：

int main() { bool bHasGetServerIP = false;
    thread th_tcp_client; std::string localIP = "xxx"; if (true == get_local_ip(localIP))
    { printf("[%s] localIP: [%s] %s\n", __func__, ETH_NAME, localIP.c_str());
    } int udpClientSocket = -1; if ((udpClientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)   
    { printf("[%s] socket error\n", __func__); return false;  
    } struct sockaddr_in udpClientAddr; memset(&udpClientAddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));  
    udpClientAddr.sin_family=AF_INET;  
    udpClientAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_BROADCAST);  
    udpClientAddr.sin_port=htons(6000); int nlen=sizeof(udpClientAddr);  
    
    set_sockopt_broadcast(udpClientSocket); while(1)  
    {  
        sleep(1); if(bHasGetServerIP)
        { continue; //獲取到服務(wù)器的IP后, 就不需要再?gòu)V播了 } //從廣播地址發(fā)送消息  std::string smsg = REQUEST_INFO + INFO_SPLIT + localIP; int ret=sendto(udpClientSocket, smsg.c_str(), smsg.length(), 0, (sockaddr*)&udpClientAddr, nlen); if(ret<0)  
        { printf("[%s] sendto error, ret: %d\n", __func__, ret);  
        } else { printf("[%s] broadcast ok, msg: %s\n", __func__, smsg.c_str()); /* 設(shè)置阻塞超時(shí) */ struct timeval timeOut; timeOut.tv_sec = 2; //設(shè)置2s超時(shí) timeOut.tv_usec = 0; if (setsockopt(udpClientSocket, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeOut, sizeof(timeOut)) < 0)
            { printf("[%s] time out setting failed\n", __func__); return 0;
            } //再接收數(shù)據(jù) char recvbuf[100]={0}; int num = recvfrom(udpClientSocket, recvbuf, 100, 0, (struct sockaddr*)&udpClientAddr,(socklen_t*)&nlen); if (num > 0)
            { printf("[%s] receive server reply:%s\n", __func__, recvbuf); //解析服務(wù)器的ip vector<std::string> recvInfo;
                cstr_split(recvbuf, recvInfo); if(recvInfo.size() == 2 && recvInfo[0] == REPLAY_INFO)
                { std::string serverIP = recvInfo[1];
                    bHasGetServerIP = true;
                    th_tcp_client = thread(tcp_client_thread, serverIP, localIP);
                    th_tcp_client.join();
                }
            } else if (num == -1 && errno == EAGAIN)
            { printf("[%s] receive timeout\n", __func__);
            }
        }  
    } return 0;  
}

3.2.2 客戶端進(jìn)行TCP連接

在獲取到服務(wù)端的IP后，再開啟一個(gè)線程，與服務(wù)端建立TCP連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該線程的實(shí)現(xiàn)邏輯如下：

• 創(chuàng)建一個(gè)socket，類型為TCP數(shù)據(jù)流（SOCK_STREAM）
• sockaddrd的IP設(shè)置為剛才獲取的服務(wù)端的IP（serverIP，例如192.168.1.101）
• 向服務(wù)端請(qǐng)求連接（connect）
• 連接成功之后，可以發(fā)送自定義的數(shù)據(jù)（send），這里發(fā)送的一串字母"abcdefg"加上自己的IP地址
• 如果服務(wù)端會(huì)還會(huì)回復(fù)信息，可以進(jìn)行接收（recv），這里的接收設(shè)置為非阻塞模式（MSG_DONTWAIT），這樣在服務(wù)端沒有回復(fù)數(shù)據(jù)的情況下，客戶端也不會(huì)一直等待，能夠再次發(fā)送自己的數(shù)據(jù)

具體的代碼實(shí)現(xiàn)如下：

void tcp_client_thread(std::string serverIP, std::string localIP) { printf("[%s] in, prepare connect serverIP:%s\n", __func__, serverIP.c_str()); //創(chuàng)建客戶端套接字文件 int tcpClientSocket= socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //初始化服務(wù)器端口地址 struct sockaddr_in servaddr; bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)) ;
	servaddr.sin_family= AF_INET;
	inet_pton(AF_INET, serverIP.c_str(), &servaddr.sin_addr);
	servaddr.sin_port= htons(SERV_PORT); //請(qǐng)求連接 connect(tcpClientSocket, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof (servaddr)); //要向服務(wù)器發(fā)送的信息 char buf [MAXLINE]; std::string msg = "abcdefg" + std::string("(") + localIP + std::string(")"); while(1)
    { //發(fā)送數(shù)據(jù) send(tcpClientSocket, msg.c_str(), msg.length(),0); printf("[%s] send to server: %s\n", __func__, msg.c_str()); //接收服務(wù)器返回的數(shù)據(jù) int n= recv(tcpClientSocket, buf, MAXLINE, MSG_DONTWAIT); //非阻塞讀取 if(n>0)
        { printf("[%s] Response from server: %s\n", __func__, buf);
        }
        
        sleep(2);
    } //關(guān)閉連接 close(tcpClientSocket) ;
}

3.3 服務(wù)端程序

服務(wù)端程序，主要設(shè)計(jì)了2個(gè)線程來分別實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶端UDP廣播的處理和對(duì)客戶端TCP連接的處理，兩個(gè)功能獨(dú)立開來，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)客戶端的UDP請(qǐng)求和TCP請(qǐng)求進(jìn)行處理。

int main() { thread th1(recv_broadcast_thread); thread th2(tcp_server_thread);
    th1.join();
    th2.join(); return 0;  
}

3.3.1 服務(wù)端處理UDP廣播

接收客戶端廣播信息的處理線程的主要邏輯為：

• 獲取自己的IP（用于回復(fù)給客戶端，客戶端獲取到IP后進(jìn)行TCP連接）
• 創(chuàng)建一個(gè)socket，類型為UDP數(shù)據(jù)報(bào)（SOCK_DGRAM）
• sockaddrd的IP設(shè)置為接收所有IP（INADDR_ANY，0.0.0.0），并進(jìn)行綁定（bind）
• 為socket添加廣播屬性（setsockopt，SO_BROADCAST）
• 接收UDP廣播信息（recvfrom），這里是默認(rèn)的阻塞接收，沒有廣播信息則一直等待
• 收到客戶端的UDP廣播信息后，解析信息，判斷確實(shí)是要獲取IP后，將自己的IP信息按照規(guī)定的格式發(fā)送出去

具體的代碼實(shí)現(xiàn)如下：

//接收客戶端廣播信息的處理線程, 收到客戶端的UDP廣播后, 將自己(服務(wù)端)的IP發(fā)送回去 void recv_broadcast_thread() { std::string localIP = ""; if (true == get_local_ip(localIP))
    { printf("[%s] localIP: [%s] %s\n", __func__, ETH_NAME, localIP.c_str());
    } else { printf("[%s] get local ip err!\n", __func__); return;
    } int sock = -1; if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)   
    { printf("[%s] socket error\n", __func__); return;  
    } struct sockaddr_in udpServerAddr; bzero(&udpServerAddr, sizeof(struct sockaddr_in));  
    udpServerAddr.sin_family = AF_INET;  
    udpServerAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  
    udpServerAddr.sin_port = htons(6000); int len = sizeof(sockaddr_in); if(bind(sock,(struct sockaddr *)&(udpServerAddr), sizeof(struct sockaddr_in)) == -1)   
    { printf("[%s] bind error\n", __func__); return;  
    }  
    
    set_sockopt_broadcast(sock); char smsg[100] = {0}; while(1)  
    { //從廣播地址接收消息  int ret=recvfrom(sock, smsg, 100, 0, (struct sockaddr*)&udpServerAddr, (socklen_t*)&len); if(ret<=0)  
        { printf("[%s] read error, ret:%d\n", __func__, ret);  
        } else { printf("[%s]receive: %s\n", __func__, smsg); vector<std::string> recvInfo;
            cstr_split(smsg, recvInfo); //將自己的IP回應(yīng)給請(qǐng)求的客戶端 if(recvInfo.size() == 2 && recvInfo[0] == REQUEST_INFO)
            { std::string clientIP = recvInfo[1]; std::string replyInfo = REPLAY_INFO + INFO_SPLIT + localIP;
                
                ret = sendto(sock, replyInfo.c_str(), replyInfo.length(), 0, (struct sockaddr *)&udpServerAddr, len); if(ret<0)  
                { printf("[%s] sendto error, ret: %d\n", __func__, ret);  
                } else { printf("[%s] reply ok, msg: %s\n", __func__, replyInfo.c_str());   
                }  
            }
        }  
 
        sleep(1);  
    } 
}

3.3.2 服務(wù)端處理客戶端的TCP連接

TCP服務(wù)器線程, 用于接受客戶端的連接, 主要邏輯如下：

• 創(chuàng)建一個(gè)socket，命名為listenfd，類型為TCP數(shù)據(jù)流（SOCK_STREAM）
• sockaddrd的IP設(shè)置為接收所有IP（INADDR_ANY，0.0.0.0），并進(jìn)行綁定（bind）
• 監(jiān)聽，并設(shè)置最大連接數(shù)（listen）
• 創(chuàng)建一個(gè)epoll，來處理多客戶端請(qǐng)求時(shí)（epoll_create）
• 將TCP socket添加到epoll進(jìn)行監(jiān)聽（epoll_ctl，EPOLLIN）
• epoll等待事件到來（epoll_wait）
• epoll處理到來的事件
• 如果到來的是listenfd，說明有新的客戶端請(qǐng)求連接，TCP服務(wù)端則接受請(qǐng)求（accept），然后將對(duì)應(yīng)的客戶端fd添加到epoll進(jìn)行監(jiān)聽（epoll_ctl，EPOLLIN）
• 如果到來的不是listenfd，說明有已連接的客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，則讀取信息（read）

具體的代碼實(shí)現(xiàn)如下：

//TCP服務(wù)器線程, 用于接受客戶端的連接, 并接收客戶端的信息 void tcp_server_thread() { //創(chuàng)建服務(wù)器端套接字文件 int listenfd=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //初始化服務(wù)器端口地址 struct sockaddr_in tcpServerAddr; bzero(&tcpServerAddr, sizeof(tcpServerAddr));
	tcpServerAddr.sin_family=AF_INET;
	tcpServerAddr.sin_addr.s_addr= htonl(INADDR_ANY);
	tcpServerAddr.sin_port=htons(SERV_PORT); //將套接字文件與服務(wù)器端口地址綁定 bind(listenfd, (struct sockaddr *)&tcpServerAddr, sizeof (tcpServerAddr)) ; //監(jiān)聽，并設(shè)置最大連接數(shù)為20 listen(listenfd, 20); printf("[%s] Accepting connections... \n", __func__); //通過epoll來監(jiān)控多個(gè)客戶端的請(qǐng)求 int epollfd; struct epoll_event events[EPOLLEVENTS]; int num; char buf[MAXSIZE]; memset(buf,0,MAXSIZE);
    epollfd = epoll_create(FDSIZE); printf("[%s] create epollfd:%d\n", __func__, epollfd); //添加監(jiān)聽描述符事件 epoll_set_fd_a_event(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, EPOLLIN); while(1)
    { //獲取已經(jīng)準(zhǔn)備好的描述符事件 printf("[%s] epollfd:%d epoll_wait...\n", __func__, epollfd);
        num = epoll_wait(epollfd,events,EPOLLEVENTS,-1); for (int i = 0;i < num;i++) { int fd = events[i].data.fd; //listenfd說明有新的客戶端請(qǐng)求連接 if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN))
            { //accept客戶端的請(qǐng)求 struct sockaddr_in cliaddr; socklen_t cliaddrlen = sizeof(cliaddr); int clifd = accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&cliaddrlen); if (clifd == -1)
                {
                    perror("accpet error:");
                } else { printf("[%s] accept a new client(fd:%d): %s:%d\n",
                           __func__, clifd, inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), cliaddr.sin_port); //將客戶端fd添加到epoll進(jìn)行監(jiān)聽 epoll_set_fd_a_event(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, clifd, EPOLLIN);
                }
            } //收到已連接的客戶端fd的消息 else if (events[i].events & EPOLLIN)
            { memset(buf,0,MAXSIZE); //讀取客戶端的消息 int nread = read(fd,buf,MAXSIZE); if (nread == -1)
                {
                    perror("read error:");
                    close(fd);
                    epoll_set_fd_a_event(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, EPOLLIN);
                } else if (nread == 0)
                { printf("[%s] client(fd:%d) close.\n", __func__, fd);
                    close(fd);
                    epoll_set_fd_a_event(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, EPOLLIN);
                } else { //將客戶端的消息打印處理, 并表明是哪里客戶端fd發(fā)來的消息 printf("[%s] read message from fd:%d ---> %s\n", __func__, fd, buf);
                }
            }
        }
    }

    close(epollfd);
}

為epoll中的某個(gè)fd添加、修改或刪除某個(gè)事件，這里封裝成了一個(gè)函數(shù)：

//為epoll中的某個(gè)fd添加/修改/刪除某個(gè)事件 bool epoll_set_fd_a_event(int epollfd, int op, int fd, int event) { if (EPOLL_CTL_ADD == op || EPOLL_CTL_MOD == op || EPOLL_CTL_DEL == op)
    { struct epoll_event ev; ev.events = event;
        ev.data.fd = fd;
        epoll_ctl(epollfd, op, fd, &ev); return true;
    } else { printf("[%s] err op:%d\n", __func__, op); return false;
    }
}

4 測(cè)試結(jié)果

這里測(cè)試了4種不同的情況，來驗(yàn)證客戶端可以自動(dòng)獲取到服務(wù)端的IP，并進(jìn)行TCP連接，另外，服務(wù)端也可以處理多個(gè)客戶端的請(qǐng)求：

• 1）單個(gè)客戶端連接服務(wù)端

• 2）單個(gè)客戶端連接并中止后，另一個(gè)客戶端再次連接服務(wù)端

• 3）客戶端先啟動(dòng)后，服務(wù)端再啟動(dòng)，客戶端依然能在服務(wù)端啟動(dòng)后連接到服務(wù)端

• 4）兩個(gè)客戶端現(xiàn)后進(jìn)行連接服務(wù)端

5 總結(jié)

本篇介紹了在TCP通信中，客戶端通過UDP廣播，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取服務(wù)端的IP地址，并進(jìn)行TCP連接的具體方法，并通過代碼實(shí)現(xiàn)，來測(cè)試此方案是實(shí)際效果，為了使服務(wù)端能夠處理多個(gè)客戶端的請(qǐng)求，這里使用了多線程編程，以及epoll機(jī)制來實(shí)現(xiàn)多客戶端的處理。