Windows下基于TCP协议的大文件传输（流形式）

Posted 2023-02-20 逝去的浪花

简单实现TCP下的大文件高效传输

      在TCP下进行大文件传输，不像小文件那样直接打包个BUFFER发送出去，因为文件比较大可能是1G,2G或更大，第一效率问题，第二TCP粘包问题。针对服务端的设计来说就更需要严紧些。下面介绍简单地实现大文件在TCP的传输应用。

粘包出现原因：在流传输中出现，UDP不会出现粘包，因为它有消息边界(参考Windows 网络编程)
1 发送端需要等缓冲区满才发送出去，造成粘包
2 接收方不及时接收缓冲区的包，造成多个包接收

解决办法：
为了避免粘包现象，可采取以下几种措施：

一是对于发送方引起的粘包现象，用户可通过编程设置来避免，TCP提供了强制数据立即传送的操作指令push，TCP软件收到该操作指令后，就立即将本段数据发送出去，而不必等待发送缓冲区满；

二是对于接收方引起的粘包，则可通过优化程序设计、精简接收进程工作量、提高接收进程优先级等措施，使其及时接收数据，从而尽量避免出现粘包现象；

三是由接收方控制，将一包数据按结构字段，人为控制分多次接收，然后合并，通过这种手段来避免粘包。

对于基于TCP开发的通讯程序,有个很重要的问题需要解决,就是封包和拆包.

为什么基于TCP的通讯程序需要进行封包和拆包？

TCP是个"流"协议,所谓流,就是没有界限的一串数据.大家可以想想河里的流水,是连成一片的,其间是没有分界线的.但一般通讯程序开发是需要定义一个个相互独立的数据包的,比如用于登陆的数据包,用于注销的数据包.由于TCP"流"的特性以及网络状况,在进行数据传输时会出现以下几种情况.
假设我们连续调用两次send分别发送两段数据data1和data2,在接收端有以下几种接收情况(当然不止这几种情况,这里只列出了有代表性的情况).
A.先接收到data1,然后接收到data2.
B.先接收到data1的部分数据,然后接收到data1余下的部分以及data2的全部.
C.先接收到了data1的全部数据和data2的部分数据,然后接收到了data2的余下的数据.
D.一次性接收到了data1和data2的全部数据.

对于A这种情况正是我们需要的,不再做讨论.对于B,C,D的情况就是大家经常说的"粘包",就需要我们把接收到的数据进行拆包,拆成一个个独立的数据包.为了拆包就必须在发送端进行封包.

另:对于UDP来说就不存在拆包的问题,因为UDP是个"数据包"协议,也就是两段数据间是有界限的,在接收端要么接收不到数据要么就是接收一个完整的一段数据,不会少接收也不会多接收.

二.为什么会出现B.C.D的情况.
"粘包"可发生在发送端也可发生在接收端.
1.由Nagle算法造成的发送端的粘包:Nagle算法是一种改善网络传输效率的算法.简单的说,当我们提交一段数据给TCP发送时,TCP并不立刻发送此段数据,而是等待一小段时间,看看在等待期间是否还有要发送的数据,若有则会一次把这两段数据发送出去.这是对Nagle算法一个简单的解释,详细的请看相关书籍.象C和D的情况就有可能是Nagle算法造成的.
2.接收端接收不及时造成的接收端粘包:TCP会把接收到的数据存在自己的缓冲区中,然后通知应用层取数据.当应用层由于某些原因不能及时的把TCP的数据取出来,就会造成TCP缓冲区中存放了几段数据.

三.怎样封包和拆包.
   最初遇到"粘包"的问题时,我是通过在两次send之间调用sleep来休眠一小段时间来解决.这个解决方法的缺点是显而易见的,使传输效率大大降低,而且也并不可靠.后来就是通过应答的方式来解决,尽管在大多数时候是可行的,但是不能解决象B的那种情况,而且采用应答方式增加了通讯量,加重了网络负荷. 再后来就是对数据包进行封包和拆包的操作.
    封包:
封包就是给一段数据加上包头,这样一来数据包就分为包头和包体两部分内容了(以后讲过滤非法包时封包会加入"包尾"内容).包头其实上是个大小固定的结构体,其中有个结构体成员变量表示包体的长度,这是个很重要的变量,其他的结构体成员可根据需要自己定义.根据包头长度固定以及包头中含有包体长度的变量就能正确的拆分出一个完整的数据包.
    对于拆包目前我最常用的是以下两种方式.
    1.动态缓冲区暂存方式.之所以说缓冲区是动态的是因为当需要缓冲的数据长度超出缓冲区的长度时会增大缓冲区长度.
    大概过程描述如下:
    A,为每一个连接动态分配一个缓冲区,同时把此缓冲区和SOCKET关联,常用的是通过结构体关联.
    B,当接收到数据时首先把此段数据存放在缓冲区中.
    C,判断缓存区中的数据长度是否够一个包头的长度,如不够,则不进行拆包操作.
    D,根据包头数据解析出里面代表包体长度的变量.
    E,判断缓存区中除包头外的数据长度是否够一个包体的长度,如不够,则不进行拆包操作.
    F,取出整个数据包.这里的"取"的意思是不光从缓冲区中拷贝出数据包,而且要把此数据包从缓存区中删除掉.删除的办法就是把此包后面的数据移动到缓冲区的起始地址.

这种方法有两个缺点.1.为每个连接动态分配一个缓冲区增大了内存的使用.2.有三个地方需要拷贝数据,一个地方是把数据存放在缓冲区,一个地方是把完整的数据包从缓冲区取出来,一个地方是把数据包从缓冲区中删除.第二种拆包的方法会解决和完善这些缺点.

前面提到过这种方法的缺点.下面给出一个改进办法, 即采用环形缓冲.但是这种改进方法还是不能解决第一个缺点以及第一个数据拷贝,只能解决第三个地方的数据拷贝(这个地方是拷贝数据最多的地方).第2种拆包方式会解决这两个问题.
环形缓冲实现方案是定义两个指针,分别指向有效数据的头和尾.在存放数据和删除数据时只是进行头尾指针的移动.

2.利用底层的缓冲区来进行拆包
由于TCP也维护了一个缓冲区,所以我们完全可以利用TCP的缓冲区来缓存我们的数据,这样一来就不需要为每一个连接分配一个缓冲区了.另一方面我们知道recv或者wsarecv都有一个参数,用来表示我们要接收多长长度的数据.利用这两个条件我们就可以对第一种方法进行优化.
     对于阻塞SOCKET来说,我们可以利用一个循环来接收包头长度的数据,然后解析出代表包体长度的那个变量,再用一个循环来接收包体长度的数据.

    tcp是流,没有界限.也就无所谓包；tcp是协议,而socket是一种接口。本文以流的形式发单个大文件，也就无所谓封包和拆包问题，见下面代码；但是要连续发送多个大文件，封包和拆包就是要考虑的问题了！

#ifndef TCPRECVFILE
#define TCPRECVFILE

#include <stdio.h>  
#include <winsock2.h>  
#include <iostream>
#include <time.h>
#define DESTADDRESS "192.168.27.170"
#define FILENAME "D:\\\\file.jpg"
#define SERVER_PORT 5210 //侦听端口 

#define BEGIN_NUM 19900711
#define DATA_NUM  20160113
#define END_NUM   11700991
#define BLOCK_DATA_SIZE (10 * 1024)
#define FILE_HEAD  4
#define BLOCK_HEAD 4

class CTCPRecvfile

public:

    CTCPRecvfile();

    ~CTCPRecvfile();

    void Recvfile();

    void Recv();

private:

    void InitSocket();

    void CloseSocket();

    SOCKET m_Listen, m_Server; //侦听套接字，连接套接字 

    struct sockaddr_in ServerAddr, ClientAddr; //地址信息 
;

#endif

1

1

#include "TCPRecvfile.h"

CTCPRecvfile::CTCPRecvfile()

    InitSocket();

CTCPRecvfile::~CTCPRecvfile()

    CloseSocket();

void CTCPRecvfile::InitSocket()

    WORD wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2); //希望使用的WinSock DLL 的版本 
    WSADATA wsaData;     
    //WinSock初始化      
    int ret = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
    if (ret != 0)
    
        printf("WSAStartup() failed!\\n");
        //return 0;  
    
    //创建Socket,使用TCP协议  
    m_Listen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (m_Listen == INVALID_SOCKET)
    
        printf("socket() faild!\\n");
        //return 0;  
    
    //构建本地地址信息  
    ServerAddr.sin_family = AF_INET; //地址家族  
    ServerAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //注意转化为网络字节序  
    ServerAddr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY; //使用INADDR_ANY 指示任意地址  

    //绑定  
    ret = bind(m_Listen, (struct sockaddr *)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));
    if (ret == SOCKET_ERROR)
    
        printf("bind() faild! code:%d\\n", WSAGetLastError());
        //return 0;  
    
    //侦听连接请求  
    ret = listen(m_Listen, 1);
    if (ret == SOCKET_ERROR)
    
        printf("listen() faild! code:%d\\n", WSAGetLastError());
    
    int length = sizeof(ServerAddr);
    m_Server = accept(m_Listen, (struct sockaddr *)&ServerAddr, &length);
    if (m_Server == INVALID_SOCKET)
    
        printf("accept() faild! code:%d\\n", WSAGetLastError());
        return;
    
    else
        printf("Server is Connected!\\n");


void CTCPRecvfile::Recv()
 
    char *eachBuf = new char[BLOCK_DATA_SIZE + 2 * FILE_HEAD];
    memset(eachBuf, 0, BLOCK_DATA_SIZE + 2 * FILE_HEAD);
    FILE *fp;
    UINT dwFileSize = 0;
    unsigned int RecvNum = 0, flag_status = 0, flag_recv = 1;
    fp = fopen(FILENAME, "wb");
    //1、读取第一组数据，获取文件大小，建立连接

    recv(m_Server, eachBuf, 2 * FILE_HEAD, 0);//----------------recv
    char charFileSize[4] =  0 ;
    memcpy(charFileSize, eachBuf, FILE_HEAD); //拷贝前4个字节
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    
        flag_status += ((UCHAR)charFileSize[i]) << (8 * (4 - i - 1)); //获取文件起始符
    
    memcpy(charFileSize, eachBuf + FILE_HEAD, FILE_HEAD); //拷贝第5-8个字节
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    
        dwFileSize += ((UCHAR)charFileSize[i]) << (8 * (4 - i - 1)); //获取文件大小
    
    int start = clock();
    
        //开辟接收内存
        int DataPos = 0;
        char *FileBuffer = new char[dwFileSize];
        memset(FileBuffer, 0, dwFileSize);
        while (1)
        
            int ret = recv(m_Server, eachBuf, BLOCK_DATA_SIZE, 0);
            if (ret <= 0)
                break;
            memcpy(FileBuffer + DataPos, eachBuf, ret);
            DataPos = DataPos + ret;
        
        fwrite(FileBuffer, dwFileSize, 1, fp);
        fclose(fp);
    
    int end = clock();
    std::cout << "time:" << end - start << "ms" << RecvNum << std::endl;


void CTCPRecvfile::CloseSocket()

    closesocket(m_Server); //关闭套接字 
    closesocket(m_Listen);
    WSACleanup();

1

1

#ifndef TCPSENDFILE
#define TCPSENDFILE

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <winsock2.h>  
#include <iostream>
#include <tchar.h>
#include <time.h>
 
#define SERVER_PORT 5210 //侦听端口  
#define DESTADDRESS "192.168.27.170"
#define FILENAME "D:\\\\10M.jpg"

#define BEGIN_NUM 19900711
#define DATA_NUM  20160113
#define END_NUM   11700991
#define BLOCK_DATA_SIZE (10 * 1024)
#define FILE_HEAD  4
#define BLOCK_HEAD 4 

class CTCPSendfile

public:

    CTCPSendfile();

    ~CTCPSendfile();

    void Sendfile();

    void Send();

private:

    void InitSocket();

    void CloseSocket();

    SOCKET m_Client; //连接套接字  
    struct sockaddr_in m_ClientAddr; //服务器地址信息 
;

#endif

1

1

#include "TCPSendfile.h"

CTCPSendfile::CTCPSendfile()

    InitSocket();

CTCPSendfile::~CTCPSendfile()

    CloseSocket();

void CTCPSendfile::InitSocket()

    WORD wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2); //希望使用的WinSock DLL的版本  
    WSADATA wsaData;
    int ret = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);  //加载套接字库  
    if (ret != 0)
    
        printf("WSAStartup() failed!\\n");
        //return 0;  
    
    //确认WinSock DLL支持版本2.2  
    if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 2)
    
        //释放为该程序分配的资源，终止对winsock动态库的使用  
        printf("Invalid WinSock version!\\n");
        //return 0;  
    

    //WinSock初始化  
    //创建Socket,使用TCP协议  
    m_Client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (m_Client == INVALID_SOCKET)
    
        printf("socket() failed!\\n");
        //return 0;  
    

    //构建服务器地址信息  
    m_ClientAddr.sin_family = AF_INET; //地址家族  
    m_ClientAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); //注意转化为网络节序  
    m_ClientAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(DESTADDRESS);

    //连接服务器  
    do
    
        ret = connect(m_Client, (struct sockaddr *)&m_ClientAddr, sizeof(m_ClientAddr));
        if (ret == SOCKET_ERROR)
        
            printf("connect() failed! Try it again!\\n");
        
        else
            printf("Client is Connected\\n");
        Sleep(1000);
     while (ret == SOCKET_ERROR);

void CTCPSendfile::Sendfile()

    HANDLE  hFile;
    DWORD   dwHighSize, dwBytesRead;
    DWORD  dwFileSize;
    hFile = CreateFile(_T(FILENAME), GENERIC_READ, FILE_SHARE_READ, NULL,
        OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_SEQUENTIAL_SCAN, NULL);
    dwFileSize = GetFileSize(hFile, &dwHighSize);
    std::cout << "dwFileSize=" << dwFileSize << std::endl;
    //2、读文件内容到 BYTE * fileData 中
    BOOL bSuccess;
    char *fileData = new char[dwFileSize];
    bSuccess = ReadFile(hFile, fileData, dwFileSize, &dwBytesRead, NULL);
    CloseHandle(hFile);
    //3、判断文件是否成功读取
    if (!bSuccess || (dwBytesRead != dwFileSize))
    
        std::cout << "读取失败" << std::endl;;
        free(fileData);
        return;
    

   //发送数据帧
    DWORD  retval = 0;
    UINT   DataPos = 0;
    char   *eachBuf = new char[BLOCK_DATA_SIZE + 2 * FILE_HEAD];
    memset(eachBuf, 0, BLOCK_DATA_SIZE + 2 * FILE_HEAD);
    eachBuf[DataPos++] = BEGIN_NUM >> 24 & 0xff;//文件起始标识符
    eachBuf[DataPos++] = BEGIN_NUM >> 16 & 0xff;
    eachBuf[DataPos++] = BEGIN_NUM >> 8 & 0xff;
    eachBuf[DataPos++] = BEGIN_NUM & 0xff;
    eachBuf[DataPos++] = dwFileSize >> 24 & 0xff;
    eachBuf[DataPos++] = dwFileSize >> 16 & 0xff;
    eachBuf[DataPos++] = dwFileSize >> 8 & 0xff;
    eachBuf[DataPos++] = dwFileSize & 0xff;
    retval = send(m_Client, eachBuf, 2 * FILE_HEAD, 0);
    int start = clock();
    
        retval = send(m_Client, fileData, dwFileSize, 0);
        if (retval == -1)
            std::cout << "send error!";
        int end = clock();
    


void CTCPSendfile::CloseSocket()

    closesocket(m_Client); //关闭套接字  
    WSACleanup();