实验三
目 录
实验目的
- 掌握TCP和UDP协议主要特点
- 理解socket的基本概念和工作原理，编程实现socket通信
实验内容
准备工作
- 使用终端命令行安装本地echo服务，监听TCP 7号端口
- `sudo apt update`
- `sudo apt install xinetd`
- 修改/etc/xinetd.d/echo文件中的内容，将disable设置为no
- `sudo service xinetd reload`
- `netstat -an|grep :7`
- 输入`telnet localhost 7`，连接本机echo服务器，输入任意文本，观察响应
- 输入`Ctrl+]`结束echo服务，输入`close`或`quit`退出telnet
完善socket客户机
- 开启两个终端窗口，分别编译、运行server_example.c和client_example.c，观察它们实现的功能
- 编译、运行server_example.c和client_example.c
- 观察它们实现的功能
首先运行server_example，终端不会显示任何内容，处于server端处于监听状态
然后再运行client_example，client端会向server端发送一个字符串 “Hello Network!”，并在终端上显示出该条发送的信息
server端接到该条信息后在终端上显示接收到这条信息
server端同时向client端发送一条字符串 “Hello Network!”，并在终端上显示发送了这条字符串的信息
client端收到server端发送过来的字符串，在终端上输出接收到该条字符串的信息
倘若将运行这两个程序的顺序颠倒一下，就会产生以下效果：
可以看到，client端发送一个字符串后无法收到来自server端的回复；而如果之后再打开server端，也无法将二者建立起连接，无论client端再发送多少次，server端也无法接收到来自client端的信息。
- 按以下要求，修改范例client_example.c，实现类似telnet连接echo服务器的效果
- 为所有socket函数调用添加错误处理代码
- 范例中服务器地址和端口是固定值，请将它们改成允许用户以命令行参数形式输入
- 范例中客户机发送的是固定文本“Hello Network!”，请改成允许用户输入字符串，按回车发送
- 实现循环，直至客户机输入“bye”退出
实验结果：
终端使用命令`./server 12345`指定端口号12345运行服务端：
使用命令`./client localhost 12345`指定地址和端口号运行客户端：
可以看到，server端变为接收状态：
向客户机输入字符串：
几乎同一时刻，可以看到server端接收到信息并向终端输出信息
在client端输入“bye”后，进程终止，并向终端输出“Bye!”以示结束：
字符串回送服务器（TCP迭代）
- 客户机和服务器的运行情况
第一个客户机正常收发：
第2个客户机输入后，无响应：
第1个客户机bye之后，第2个客户机马上收到回复并进入循环：
按Ctrl+c终止服务器程序：
- 设置服务器listen( )的backlog为0或1，同时打开多个终端窗口、让4个客户机连接服务器，使用netstat命令观察socket状态变化，对照TCP连接状态图(5-28/5-29/5-30)，说明变化过程以及backlog与客户机完成队列的数量关系
- backlog设置为0：
让4个客户机连接服务器，使用netstat命令观察socket状态变化：
`netstat -anp | grep 12345`
- 只打开server端
- 打开1个client端
- 打开2个client端
- 打开3个client端
- 打开4个client端
同时打开4个客户端，有2个可以被建立并正常运行
- backlog设置为1：
让4个客户机连接服务器，使用netstat命令观察socket状态变化：
`netstat -anp | grep 12345`
- 只打开server端
- 打开1个client端
- 打开2个client端
- 打开3个client端
- 打开4个client端
同时打开4个客户端，有3个可以被建立并正常运行
- 端口为什么要进行字节顺序转换，不转换会有什么情况？
代码改为不进行字节顺序转换：
注意，这里想要看到效果，只能修改server端和client端其中一个的代码，如果两个都修改的话，相当于两个都错了，从结果来看反而是对的了。
这里我修改了server.c代码：
编译、运行修改后的代码，观察结果如下：
可以看到，client端被拒绝连接了。
我们可以通过netstat找到答案：
检测不到任何2000的端口运行。
使用`netstat -anplt`命令，我们可以看到并不是我们想要监听的2000端口，而是53255，这也是为什么client端想要向2000端口发送被拒绝的原因了。
原因：在进行网络编程时，由于网络的字节顺序和主机的字节顺序可能存在不同，我们需要对它们进行转换以统一“格式”。如果没有正确对两者进行转换，从而导致两方产生了不同的解释，就会出现bug。
- 试验客户机也像服务器一样bind固定端口,看看结果如何。
先在终端运行命令：`sudo sysctl net.ipv4.tcp_timestamps=0`
运行客户机，连接服务器：
观察到运行正常。
客户机主动退出、再次运行客户机，netstat观察:
使用`sudo sysctl net.ipv4.tcp_timestamps=0`命令的作用是关闭端口复用；当3000端口处于TIME_WAIT状态时，再次绑定该端口打开client端，系统不会将3000端口分配给client端使用，而会随机分配一个空闲状态的端口供client端使用。
字符串回送服务器（TCP并发）
- 客户机和服务器运行时的截图
- 服务器accept之后会返回一个用于传输数据的socket，调用fork()会使父子进程同时拥有此socket描述符，父进程分支中是否需要关闭该socket？
答：需要关闭。如果不关闭，在退出客户端后，还有多个网络处于CLOSE_WAIT状态。
代码测试：
- 关闭
- 查看运行是否正常
可以看到，运行正常。
- netstat观察多个客户机退出后的连接状态
使用`netstat -anp|grep 12345`命令：
连接三个client端后使用该命令可以查看到如下内容：
关闭第一个client端后使用该命令可以查看到如下内容：
关闭第二个client端后使用该命令可以查看到如下内容：
关闭最后一个client端后使用该命令可以查看到如下内容：
- 不关闭
然后重新编译。
- 查看运行是否正常
可以看到，不关闭此socket描述符，仍可以正常运行。
- netstat观察多个客户机退出后的连接状态
使用`netstat -anp|grep 12345`命令：
连接三个client端后使用该命令可以查看到如下内容：
关闭第一个client端后使用该命令可以查看到如下内容：
关闭第二个client端后使用该命令可以查看到如下内容：
关闭最后一个client端后使用该命令可以查看到如下内容：
若此时，再打开一个client端，使用该命令可以看到如下内容：
之前因为和三个client端连接的server子进程，在三个client端关闭了之后，一直处于CLOSE_WAIT状态，如果之后再次有client端接入进来，处于CLOSE_WAIT状态的网络也不会自动和client端连接，而是会新开一个ESTABLISHED。由于端口数量是有限的，可以预见，随着时间的推移，client端的开关次数增多，总会到达一个时候，表面上没有多余的端口可供client端连接了，实际上所有的端口都处于CLOSE_WAIT状态，这会极大程度地造成资源利用不充分。
综上，父进程分支中应该关闭这个用于传输数据的socket。
BUG修复：
一开始完成这个程序的时候其实还有一个bug，在第一次获取client端的ip时总是会获取到0.0.0.0，而之后连接进来的client端却都是正确的。
为了修复这个bug我花费了不少工夫。原因其实是在定义变量client_len的时候，没有给它赋初始值，我翻阅man手册查看accept的函数原型发现，如果要使用addrlen就必须要给它赋一个初始大小：
于是对代码进行修改，对client_len赋初始值：
然后再编译、运行，发现BUG得到了解决，可以正确得到第一个client端的地址和端口号：
实验结果分析
本次实验我顺利地完成了实验内容的必须要求，并且在不懈的努力下成功修复了一个很隐蔽的bug，并完成了选做的内容。
运行./server 2000 和 ./client localhost 2000可以顺利观察到TCP的迭代情况，当第一个client端输入 “bye”终止后，server端才能接受到第二个client端发送过来的数据。
运行./server1 2000 和 ./client localhost 2000可以顺利观察到TCP的并发情况，多个client端可以几乎同时向server端发送数据，无需等待排在前面的client端终止。
实验小结与感想
本次实验完成较为顺利。
因为我提前预习了，所以在实验课前就已经将程序大致完成了。在实验课上，我着重做了选做的内容，并在洪老师的指导下，大致明白了转换字节顺序的重要性以及bind函数能实现的功能。
本实验完整代码链接：https://gitee.com/i-rong/huaiyuyao/tree/master/cn/homework/3
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