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QT网络编程（二）——TCP协议工作原理及实战

时间：2024-07-26 22:54:41浏览次数：17  
标签：QT 编程 TCP 连接 ui QTcpSocket MainWindow 客户端

目录

引言

一、TCP协议基础知识

1. TCP协议特点

2. TCP连接的三个阶段

3. 三次握手和四次挥手

二、Qt中的TCP编程

1. 引入Qt网络模块

2. QTcpServer 类

常用函数

3. QTcpSocket 类

常用函数

三、TCP网络通信流程

TCP服务器

TCP客户端

四、实战示例

UI界面

核心代码

运行结果

五、总结

引言

Qt 是一个跨平台的 C++ 图形界面开发库，它提供了丰富的模块来支持各种开发需求，其中网络编程是一个重要的部分。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在Qt中，通过QTcpSocket和QTcpServer类可以实现TCP通信。本文将详细介绍TCP协议的工作原理以及如何在Qt中进行TCP通信的实战。

一、TCP协议基础知识

1. TCP协议特点

  • 面向连接：TCP在数据传输之前需要建立连接，即进行三次握手。
  • 可靠性：TCP通过确认和重传机制确保数据的准确性和完整性。
  • 顺序性：TCP确保数据按照发送的顺序到达接收方。
  • 流量控制和拥塞控制：TCP通过滑动窗口机制和AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease）算法来控制数据流量和避免网络拥塞。

2. TCP连接的三个阶段

  1. 建立连接：客户端和服务器之间进行三次握手，确认彼此的身份并建立一个可靠的连接。
  2. 数据传输：数据被分成小的数据包，每个数据包都包含序列号，接收方根据序列号对数据包进行排序和重组。
  3. 连接终止：通过四次挥手关闭连接，释放资源。

3. 三次握手和四次挥手

  • 三次握手是TCP协议中用于建立连接的过程。以下是它的详细步骤：
  1. SYN（同步序列编号）发送：
    • 客户端发送一个SYN包（SYN=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。
  2. SYN-ACK（同步序列编号确认）应答：
    • 服务器收到SYN包后，发送一个SYN-ACK包（SYN=k, ACK=j+1）作为应答，表示对SYN包的确认，并发送自己的同步序列号。此时，服务器进入SYN_RCVD状态。
  3. ACK（确认）发送：
    • 客户端收到服务器的SYN-ACK包后，发送一个ACK包（ACK=k+1）作为应答，表示对SYN-ACK包的确认。此时，TCP连接建立，客户端和服务器都进入ESTABLISHED状态，可以开始传输数据。
  • 四次挥手是TCP协议中用于关闭连接的过程。以下是它的详细步骤：
  1. FIN（结束）发送：
    • 当一方（假设为客户端）想要关闭连接时，它会发送一个FIN包（FIN=M）给对方，并进入FIN_WAIT_1状态，等待对方的确认。
  2. ACK确认：
    • 接收方（服务器）收到FIN包后，发送一个ACK包（ACK=M+1）作为确认，表示它已经收到了客户端的关闭请求。此时，客户端进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器关闭连接。
  3. FIN发送：
    • 服务器在关闭连接之前可能需要完成一些清理工作（如传输缓冲区中的数据），完成后，它也会发送一个FIN包（FIN=N）给客户端，并进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认。
  4. ACK确认：
    • 客户端收到服务器的FIN包后，发送一个ACK包（ACK=N+1）作为确认，表示它已经收到了服务器的关闭请求。此时，服务器收到ACK包后关闭连接，客户端在发送完ACK包后也会关闭连接。双方都进入了CLOSED状态，连接彻底关闭。

二、Qt中的TCP编程

1. 引入Qt网络模块

在使用Qt进行TCP编程之前，需要在项目的.pro文件中引入网络模块：

QT += network

2. QTcpServer 类

QTcpServer 类用于在服务器端监听端口，等待客户端的连接请求。当客户端连接时，QTcpServer 会创建一个新的 QTcpSocket 实例来处理这个连接。

常用函数
  • listen(const QHostAddress &address = QHostAddress::Any, quint16 port = 0): 在指定的地址和端口上开始监听连接。
  • waitForNewConnection(int msec = 0, bool *timedOut = nullptr): 等待新的连接到达，可设置超时时间。
  • nextPendingConnection(): 获取下一个已接受的连接的套接字（QTcpSocket）。

3. QTcpSocket 类

QTcpSocket 类用于在客户端发起连接，以及在连接建立后发送和接收数据。

常用函数
  • connectToHost(const QString &hostName, quint16 port, OpenMode openMode = ReadWrite): 连接到指定的主机和端口。
  • write(const char *data, qint64 maxSize): 向套接字写入数据。
  • readAll(): 读取所有可用的数据并返回一个 QByteArray 对象。
  • disconnectFromHost(): 断开与服务器的连接。

三、TCP网络通信流程

TCP服务器

  1. 创建QTcpServer对象。 
    #include <QTcpServer>  
  
QTcpServer *server = new QTcpServer(this);
  2. 调用listen()方法监听指定端口。 
    bool ok = server->listen(QHostAddress::Any, 1234);  
if (!ok) {  
    qDebug() << "无法启动服务器：" << server->errorString();  
} else {  
    qDebug() << "服务器正在监听端口 1234...";  
}
  3. 等待newConnection()信号的到来，表明有新的连接请求。 
    //  通常，您会在类的构造函数或某个初始化函数中连接这个信号到槽函数。

connect(server, &QTcpServer::newConnection, this, &YourClass::handleNewConnection);  
  
// 槽函数  
void YourClass::handleNewConnection() {  
    QTcpSocket *socket = server->nextPendingConnection();  
    connect(socket, &QTcpSocket::readyRead, this, &YourClass::readData);  
    // 可以在这里添加更多的socket连接处理，如断开连接处理  
    connect(socket, &QTcpSocket::disconnected, socket, &QTcpSocket::deleteLater);  
}
  4. 调用nextPendingConnection()获取新的连接对象QTcpSocket。这一步已在上一步handleNewConnection槽函数中展示。
  5. 通过QTcpSocket对象与客户端进行通信。 
    // 这通常包括读取数据、发送数据等。
void YourClass::readData() {  
    QTcpSocket *socket = qobject_cast<QTcpSocket *>(sender());  
    if (socket) {  
        QByteArray data = socket->readAll();  
        qDebug() << "收到数据：" << data;  
        // 可以在这里处理数据，然后发送响应等  
    }  
}  
  
// 发送数据示例  
void YourClass::sendData(QTcpSocket *socket, const QByteArray &data) {  
    if (socket->state() == QAbstractSocket::ConnectedState) {  
        socket->write(data);  
    }  
}

TCP客户端

  1. 创建QTcpSocket对象。 
    QTcpSocket *socket = new QTcpSocket(this);
  2. 调用connectToHost()方法连接到服务器。 
    socket->connectToHost("127.0.0.1", 1234);  
  
// 可以选择性地检查连接状态  
if (!socket->waitForConnected()) {  
    qDebug() << "无法连接到服务器：" << socket->errorString();  
    socket->deleteLater();  
} else {  
    qDebug() << "连接到服务器成功";  
}
  3. 等待readyRead()信号的到来，表明有新的数据可读。 
    connect(socket, &QTcpSocket::readyRead, this, &YourClass::readDataFromServer);  
  
// 槽函数  
void YourClass::readDataFromServer() {  
    QByteArray data = socket->readAll();  
    qDebug() << "从服务器收到数据：" << data;  
}
  4. 调用readAll()方法读取数据。这一步已在readDataFromServer槽函数中展示。
  5. 通过QTcpSocket对象与服务器进行通信。 
    // 客户端发送数据示例  
void YourClass::sendDataToServer(const QByteArray &data) {  
    if (socket->state() == QAbstractSocket::ConnectedState) {  
        socket->write(data);  
    }  
}

四、实战示例

  • UI界面

服务端：

客户端：

  • 核心代码

服务端：

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent)
    , ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    QString strip = GetLocalIpAddress();
    ui->comboBoxIp->addItem(strip);

    tcpserver = new QTcpServer(this);
    connect(tcpserver, SIGNAL(newConnection()), this, SLOT(onnewconnect()));
}

MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
}


void MainWindow::on_pushButton_Start_clicked()
{
    QString ip = ui->comboBoxIp->currentText();
    quint16 port = ui->spinBoxPort->value();

    QHostAddress address(ip);
    tcpserver->listen(address, port);

    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("~~~~~~~~正在监听~~~~~~~~");
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("服务器地址：" +
                                               tcpserver->serverAddress().toString());
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("服务器端口：" +
                                               QString::number(tcpserver->serverPort()));

    ui->pushButton_Start->setEnabled(false);
    ui->pushButton_Stop->setEnabled(true);
}

void MainWindow::on_pushButton_Stop_clicked()
{
    if(tcpserver->isListening())
    {
        tcpserver->close();
        ui->pushButton_Stop->setEnabled(false);
        ui->pushButton_Start->setEnabled(true);
    }

}

void MainWindow::on_pushButton_Send_clicked()
{
    QString strmsg = ui->lineEdit_InpuMsg->text();
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("[J.]：" + strmsg);
    ui->lineEdit_InpuMsg->clear();

    QByteArray str = strmsg.toUtf8();
    str.append("\n");
    tcpsocket->write(str);
}

QString MainWindow::GetLocalIpAddress()    // 获取本地IP地址
{
    QString hostname = QHostInfo::localHostName();
    QHostInfo hostinfo = QHostInfo::fromName(hostname);

    QString localip = "";
    QList<QHostAddress> addresslist = hostinfo.addresses();

    if(!addresslist.isEmpty())
    {
        for(int i = 0; i < addresslist.count(); i++)
        {
            QHostAddress hostaddress = addresslist.at(i);
            if(hostaddress.protocol() == QAbstractSocket::IPv4Protocol)
            {
                localip = hostaddress.toString();
                break;
            }
        }
    }
    return localip;
}

void MainWindow::clientconnect()       // 客户端连接
{
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("****客户端Socket连接****");
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("peer address:"+tcpsocket->peerAddress().toString());
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("peer port:"+QString::number(tcpsocket->peerPort()) + "\n");
}

void MainWindow::clientdisconnect()    // 不连接
{
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("****客户端Socket断开连接****\n");
    tcpsocket->deleteLater();
}

void MainWindow::socketreaddata()      // 读数据
{
    while (tcpsocket->canReadLine()) {
        ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("[T.]：" + tcpsocket->readLine());
    }
}
/*
 * 当有客户端接入时，tcpServer会发射newConnection信号，触发槽函数
 * nextPendingConnection函数获取与接入连接进行通信的QTcpSocket.
 * connected()：客户端socket 连接建立时发射此信号;
 * disconnected()：客户端socket 连接断开时发射此信号;
 * readyRead()：本程序的socket的读取缓冲区有新数据时发射此信号。
*/

void MainWindow::onnewconnect()          // 新连接
{
    tcpsocket = tcpserver->nextPendingConnection();

    connect(tcpsocket, SIGNAL(connected()), this, SLOT(clientconnect())); // 连接
    clientconnect();

    connect(tcpsocket, SIGNAL(disconnected()), this, SLOT(clientdisconnect())); // 不连接

    connect(tcpsocket, SIGNAL(readyRead()), this, SLOT(socketreaddata())); // 读数据


}

void MainWindow::closeEvent(QCloseEvent *event) // 关闭事件
{
    if(tcpserver->isListening())
        tcpserver->close();
    event->accept();
}

客户端：

#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"

#include <QHostInfo>

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent)
    , ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    tcpclient = new QTcpSocket(this);
    QString strip = GetLocalIpAddress();
    ui->comboBoxIp->addItem(strip);

    connect(tcpclient, SIGNAL(connected()), this, SLOT(connectFunc())); // 连接

    connect(tcpclient, SIGNAL(disconnected()), this, SLOT(disconnectFunc())); // 不连接

    connect(tcpclient, SIGNAL(readyRead()), this, SLOT(socketreaddata())); // 读数据
}

MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
}

QString MainWindow::GetLocalIpAddress()    // 获取本地IP地址
{
    QString hostname = QHostInfo::localHostName();
    QHostInfo hostinfo = QHostInfo::fromName(hostname);

    QString localip = "";
    QList<QHostAddress> addresslist = hostinfo.addresses();

    if(!addresslist.isEmpty())
    {
        for(int i = 0; i < addresslist.count(); i++)
        {
            QHostAddress hostaddress = addresslist.at(i);
            if(hostaddress.protocol() == QAbstractSocket::IPv4Protocol)
            {
                localip = hostaddress.toString();
                break;
            }
        }
    }
    return localip;
}

void MainWindow::connectFunc()       // 连接服务器
{
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("****成功连接服务器****");
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("peer address:"+tcpclient->peerAddress().toString());
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("peer port:"+QString::number(tcpclient->peerPort()) + "\n");

    ui->pushButton_Connect->setEnabled(false);
    ui->pushButton_Stop->setEnabled(true);
}

void MainWindow::disconnectFunc()    // 不连接
{
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("***已断开服务器连接***\n");

    ui->pushButton_Connect->setEnabled(true);
    ui->pushButton_Stop->setEnabled(false);
}

void MainWindow::socketreaddata()      // 读数据
{
    while (tcpclient->canReadLine()) {
        ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("[J.]：" + tcpclient->readLine());
    }
}

void MainWindow::on_pushButton_Connect_clicked()
{
    QString ip = ui->comboBoxIp->currentText();
    quint16 port = ui->spinBoxPort->value();

    //QHostAddress address(ip);
    tcpclient->connectToHost(ip, port);

}

void MainWindow::on_pushButton_Stop_clicked()
{
    if(tcpclient->state() == QAbstractSocket::ConnectedState)
        tcpclient->disconnectFromHost();
}

void MainWindow::on_pushButton_Send_clicked()
{
    QString strmsg = ui->lineEdit_InpuMsg->text();
    ui->plainTextEdit_DispMsg->appendPlainText("[T.]：" + strmsg);
    ui->lineEdit_InpuMsg->clear();

    QByteArray str = strmsg.toUtf8();
    str.append("\n");
    tcpclient->write(str);
}

void MainWindow::closeEvent(QCloseEvent *event)
{
    if(tcpclient->state() == QAbstractSocket::ConnectedState)
        tcpclient->disconnectFromHost();
    event->accept();
}
  • 运行结果

五、总结

通过本篇文章的学习，通过QTcpSocket和QTcpServer类可以实现TCP通信。下一篇会介绍UDP协议的工作原理及实战！

传送门1：QT网络编程（一）——基础知识体系

传送门2：QT网络编程（三）——UDP协议工作原理及实战

标签：QT,编程,TCP,连接,ui,QTcpSocket,MainWindow,客户端
From： https://blog.csdn.net/weixin_62621696/article/details/140668150

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