1 問題引出

在進行socket通信開發時，一般會用到TCP或UDP這兩種傳輸層協議，UDP（User Datagram Protocol）是一種面向無連接的協議，在數據發送前，不需要提前建立連接，它可以更高效地傳輸數據，但可靠性無法保證。TCP（Transmission Control Protocol）是一種面向連接的協議，一個應用程序開始向另一個應用程序發送數據之前，必須先進行握手連接，以保證數據的可靠傳輸。所以，對于數據可靠性要求較高的場合，一般使用TCP協議通信。

在使用TCP方式的socket編程，客戶端需要知道服務端的IP和端口號，然后向服務端申請連接，對于端口號，可以事先固定一個特定的端口號，但對于IP地址，在實際的開發使用中，比如嵌入式開發中，兩個連網的硬件需要進行TCP通信，在建立通信，客戶端硬件是不知道服務端硬件IP的（除了程序開發階段，事先知道IP，將IP寫死到程序中），因為通常情況下IP是由路由器分配的，不是一個固定值，這種情況，客戶端如何自動獲取服務端的IP來建立TCP通信呢？

2 解決方案

本篇就來實現一種解決方法：在建立TCP通信前，可以先通過UDP通信來獲取服務端的IP。

UDP具有廣播功能，客戶端可以通過UDP廣播，向局域網內的所有設置發送廣播包，可以事先定義一種廣播協議，服務端在收到特定的廣播包后，判斷為有客戶端需要請求連接，則將自己的IP地址發送出去，當客戶端收到服務端發出的IP信息后，即可通過解析到的服務端IP地址，實現與服務端進行TCP連接。

3 編程實現

在進行客戶端與服務端的socket編程之前，先實現一些兩個程序都會用到的功能代碼。

3.1 公共代碼塊

服務端要將自己的IP發給客戶端，首先要能自動獲取到自己的IP，客戶端在進行UDP廣播時，也可以將自己的IP也一起發出去作為附加信息，所以，需要先實現一個獲取自己IP地址的函數：

#define ETH_NAME "wlan0"
//獲取本機ip(根據實際情況修改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;
}

在進行UDP廣播時，客戶端與服務端需要事先規定一種信息格式，當格式符合時，說明是客戶端要請求IP信息，以及服務端返回的IP信息，本篇的測試程序，規定一種比較簡單的方式：

客戶端請求服務端IP的信息格式為：字符串"new_client_ip"+分隔符“:”+客戶端自己的IP

服務端回復自己的IP的信息格式為：字符串"server_ip"+分隔符“:”+服務端自己的IP

因為這里的信息是字符串，并以冒號分割符來分隔信息段，因此，需要先編寫一個能拆分字符串的函數：

#define REQUEST_INFO "new_client_ip" //客戶端發送的廣播信息頭
#define REPLAY_INFO "server_ip" //服務端回復的信息頭
#define INFO_SPLIT std::string(":") //信息分割符

//對c字符串按照指定分割符拆分為多個string字符串
void cstr_split(char *cstr, vector &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:%sn", __func__, token);
        token = strtok(NULL, split.c_str());
    }
}

//---------使用示例: 解析服務器的ip----------
char recvbuf[100]={0};
//...接收服務端返回的信息
vector recvInfo;
cstr_split(recvbuf, recvInfo);
if(recvInfo.size() == 2 && recvInfo[0] == REPLAY_INFO)
{
    std::string serverIP = recvInfo[1];
//...后續處理

在進行UDP廣播前，需要先設置該套接字為廣播類型，這里將此部分代碼封裝為一個函數

//設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 errorn", __func__); 
        return;  
    }  
}

3.2 客戶端程序

3.2.1 客戶端進行UDP廣播

客戶端進行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）

創建一個socket，類型為UDP數據報（SOCK_DGRAM）

sockaddrd的IP設置為廣播IP（INADDR_BROADCAST, 255.255.255.255）

為socket添加廣播屬性（setsockopt，SO_BROADCAST）

發送UDP廣播報（sendto）

接收UDP回復信息（recvfrom），接收設置超時時間（setsockopt，SO_RCVTIMEO），沒收到服務端回復則繼續廣播

收到服務端回復后，解析出服務端的IP地址，然后即可中止廣播

具體代碼實現如下：

int main()  
{  
    bool bHasGetServerIP = false;
    thread th_tcp_client;

    std::string localIP = "xxx";
    if (true == get_local_ip(localIP))
    {
        printf("[%s] localIP: [%s] %sn", __func__, ETH_NAME, localIP.c_str());
    }
 
    int udpClientSocket = -1;  
    if ((udpClientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) == -1)   
    {     
        printf("[%s] socket errorn", __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; //獲取到服務器的IP后, 就不需要再廣播了
        }
        
        //從廣播地址發送消息  
        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: %dn", __func__, ret);  
        }  
        else  
        {         
            printf("[%s] broadcast ok, msg: %sn", __func__, smsg.c_str());  

            /* 設置阻塞超時 */
            struct timeval timeOut;
            timeOut.tv_sec = 2; //設置2s超時
            timeOut.tv_usec = 0;
            if (setsockopt(udpClientSocket, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeOut, sizeof(timeOut)) < 0)
            {
                printf("[%s] time out setting failedn", __func__);
                return 0;
            }

            //再接收數據
            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:%sn", __func__, recvbuf);
                //解析服務器的ip
                vector 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 timeoutn", __func__);
            }
        }  
    }  
 
    return 0;  
}

3.2.2 客戶端進行TCP連接

在獲取到服務端的IP后，再開啟一個線程，與服務端建立TCP連接，并進行數據通信，該線程的實現邏輯如下：

創建一個socket，類型為TCP數據流（SOCK_STREAM）

sockaddrd的IP設置為剛才獲取的服務端的IP（serverIP，例如192.168.1.101）

向服務端請求連接（connect）

連接成功之后，可以發送自定義的數據（send），這里發送的一串字母"abcdefg"加上自己的IP地址

如果服務端會還會回復信息，可以進行接收（recv），這里的接收設置為非阻塞模式（MSG_DONTWAIT），這樣在服務端沒有回復數據的情況下，客戶端也不會一直等待，能夠再次發送自己的數據

具體的代碼實現如下：

void tcp_client_thread(std::string serverIP, std::string localIP)
{
    printf("[%s] in, prepare connect serverIP:%sn", __func__, serverIP.c_str());
    
	//創建客戶端套接字文件
	int tcpClientSocket= socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
	//初始化服務器端口地址
    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);
    
	//請求連接
	connect(tcpClientSocket, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof (servaddr));
    
    //要向服務器發送的信息
    char buf [MAXLINE];
	std::string msg = "abcdefg" + std::string("(") + localIP + std::string(")");
    while(1)
    {
        //發送數據
        send(tcpClientSocket, msg.c_str(), msg.length(),0);
        printf("[%s] send to server: %sn", __func__, msg.c_str());
        
        //接收服務器返回的數據
        int n= recv(tcpClientSocket, buf, MAXLINE, MSG_DONTWAIT); //非阻塞讀取
        if(n>0)
        {
            printf("[%s] Response from server: %sn", __func__, buf);
        }
        
        sleep(2);
    }
	//關閉連接
	close(tcpClientSocket) ;
}

3.3 服務端程序

服務端程序，主要設計了2個線程來分別實現對客戶端UDP廣播的處理和對客戶端TCP連接的處理，兩個功能獨立開來，可以實現對多個客戶端的UDP請求和TCP請求進行處理。

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（用于回復給客戶端，客戶端獲取到IP后進行TCP連接）

創建一個socket，類型為UDP數據報（SOCK_DGRAM）

sockaddrd的IP設置為接收所有IP（INADDR_ANY，0.0.0.0），并進行綁定（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，判斷確實是要獲取IP后，將自己的IP信息按照規定的格式發送出去

具體的代碼實現如下：

//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(服務端)的IP發送回去
void recv_broadcast_thread()
{
    std::string localIP = "";
    if (true == get_local_ip(localIP))
    {
        printf("[%s] localIP: [%s] %sn", __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 errorn", __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 errorn", __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:%dn", __func__, ret);  
        }  
        else  
        {         
            printf("[%s]receive: %sn", __func__, smsg);
            
            vector recvInfo;
            cstr_split(smsg, recvInfo);
            
            //將自己的IP回應給請求的客戶端
            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: %dn", __func__, ret);  
                }  
                else  
                {         
                    printf("[%s] reply ok, msg: %sn", __func__, replyInfo.c_str());   
                }  
            }
        }  
 
        sleep(1);  
    } 
}

3.3.2 服務端處理客戶端的TCP連接

TCP服務器線程, 用于接受客戶端的連接, 主要邏輯如下：

創建一個socket，命名為listenfd，類型為TCP數據流（SOCK_STREAM）

sockaddrd的IP設置為接收所有IP（INADDR_ANY，0.0.0.0），并進行綁定（bind）

監聽，并設置最大連接數（listen）

創建一個epoll，來處理多客戶端請求時（epoll_create）

將TCP socket添加到epoll進行監聽（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求連接，TCP服務端則接受請求（accept），然后將對應的客戶端fd添加到epoll進行監聽（epoll_ctl，EPOLLIN）

如果到來的不是listenfd，說明有已連接的客戶端發來的數據信息，則讀取信息（read）

具體的代碼實現如下：

//TCP服務器線程, 用于接受客戶端的連接, 并接收客戶端的信息
void tcp_server_thread()
{
	//創建服務器端套接字文件
	int listenfd=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
	//初始化服務器端口地址
    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器端口地址綁定
	bind(listenfd, (struct sockaddr *)&tcpServerAddr, sizeof (tcpServerAddr)) ;
    
	//監聽，并設置最大連接數為20
	listen(listenfd, 20);
	printf("[%s] Accepting connections... n", __func__);
    
    //通過epoll來監控多個客戶端的請求
    int epollfd;
    struct epoll_event events[EPOLLEVENTS];
    int num;
    char buf[MAXSIZE];
    memset(buf,0,MAXSIZE);
    epollfd = epoll_create(FDSIZE);
    printf("[%s] create epollfd:%dn", __func__, epollfd);

    //添加監聽描述符事件
    epoll_set_fd_a_event(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, listenfd, EPOLLIN);
    while(1)
    {
        //獲取已經準備好的描述符事件
        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求連接
            if ((fd == listenfd) &&(events[i].events & EPOLLIN))
            {
                //accept客戶端的請求
                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:%dn",
                           __func__, clifd, inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), cliaddr.sin_port);
                    //將客戶端fd添加到epoll進行監聽
                    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發來的消息
                    printf("[%s] read message from fd:%d ---> %sn", __func__, fd, buf);
                }
            }
        }
    }

    close(epollfd);
}

為epoll中的某個fd添加、修改或刪除某個事件，這里封裝成了一個函數：

//為epoll中的某個fd添加/修改/刪除某個事件
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:%dn", __func__, op);
        return false;
    }
}

4 測試結果

這里測試了4種不同的情況，來驗證客戶端可以自動獲取到服務端的IP，并進行TCP連接，另外，服務端也可以處理多個客戶端的請求：

1）單個客戶端連接服務端

2）單個客戶端連接并中止后，另一個客戶端再次連接服務端

3）客戶端先啟動后，服務端再啟動，客戶端依然能在服務端啟動后連接到服務端

4）兩個客戶端現后進行連接服務端

5 總結

本篇介紹了在TCP通信中，客戶端通過UDP廣播，實現自動獲取服務端的IP地址，并進行TCP連接的具體方法，并通過代碼實現，來測試此方案是實際效果，為了使服務端能夠處理多個客戶端的請求，這里使用了多線程編程，以及epoll機制來實現多客戶端的處理。

審核編輯：湯梓紅