从实际的角度出发，讲解如何利用Socket进行网络编程。

1. 基本流程

服务器端可以分为3个过程：

  • 初始化：初始化DLL，创建套接字，绑定套接字端口号IP地址
  • 工作：监听客户端，接受连接，收发数据
  • 结束：关闭套接字，终止DLL的使用

客户端也分为这3个过程

  • 初始化：DLL、套接字，但不用绑定
  • 工作：连接服务器，收发数据
  • 结束：关闭套接字，终止DLL的使用

2. 关键API

以windows下的socket为例，讲解如何调用这些API

2.1 WSAStartup( )

作用是添加链接库函数DLL，当某个程序调用WSAStartup()函数时，操作系统根据请求的Socket版本来搜索相应的库，然后将找到的库绑定到该应用程序中。成功返回0，失败返回错误代码。

MAKEWORD(2, 1)表示socket版本号。

使用前需要加上：

#include <WinSock2.h>  
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载

一般用法是

WSADATA wsaData;
int iResult = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
if (iResult != 0) {
    printf("WSAStartup failed: %d\n", iResult);
    return 1;
}

2.2 Socket( )

类似于fopen，文件打开时，返回一个文件描述字，而socket( )用于创建一个socket描述符，相当于socket的名字。

int socket(int domain, int type, int protocol);

如果成功则返回描述符，失败返回-1。

  • Domain：协议族，常用的有AF_INET和AF_UNIX。前者表示使用ipv4地址(32位)和端口号(16位)的组合，后者表示使用一个绝对路径。
  • Type：指定socket的类型，常用的有
    1. SOCK_STREAM，流套接字，应用了传输控制协议TCP，保证数据无差错按数据收发
    2. SOCK_DGRAM数据报套接字，应用UDP协议，不校验，可靠性差，会丢失，但速度快；
  • Protocol：指定协议，常用的有IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP，分别对应TCP/UDP

2.3 Bind( )

将套接字、地址、端口号绑定在一起

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

通常服务器在启动的时候需要绑定一个众所周知的地址(IP+端口号)，客户端以此来连接。而客户端则不需要指定，在connect时由系统随机生成一个。这就是为什么在服务器端，我们要在listen之前调用bind的原因。

2.4 Listen( ), Connect( )

listen第一个是服务器的描述字，backlog是可以排队的最大连接个数。成功则返回0, 失败返回-1, 错误原因存于errno 中

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

2.5 accept( )

提取出所监听套接字的等待连接队列中第一个连接请求，创建一个新的套接字，并返回指向该套接字的文件描述符。

SOCKET accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
CCopy
  • sockfd, 利用系统调用socket()建立的套接字描述符，通过bind()绑定到一个本地地址(一般为服务器的套接字)，并且通过listen()一直在监听连接；
  • addr, 指向struct sockaddr的指针，该结构用通讯层服务器对等套接字的地址(一般为客户端地址)填写
  • addrlen, 一个值结果参数，调用函数必须初始化为包含addr所指向结构大小的数值

通过这个函数我们能知晓：客户端的socket端口号，客户端地址。

如果队列中没有等待的连接，套接字也没有被标记为Non-blocking，accept()会阻塞调用函数直到连接出现；如果套接字被标记为Non-blocking，队列中也没有等待的连接，accept()返回错误EAGAIN

2.6 closesocket( )

关闭socket，成功返回0，失败返回-1。

int closesocket(int sockfd);

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

2.7 recv/send

int recv(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);
int send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);
  • buf：保存接收数据的缓冲地址值;
  • nbytes：可接收最大字节数;
  • flags：接收数据时指定的可选项信息。成功时返回发送的字节数，失败返回-1

2.8 sockaddr_in结构体

sockaddr_in系统封装的一个结构体，包含了:

  • sin_family：定义地址族，AF和PF都一样，INET表示TCP/IP协议；
  • sin_port：保存端口号；
  • sin_addr：保存IP地址信息；
  • sin_zero：无意义。
sockaddr_in sockAddr;
memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充  
sockAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址  
sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //回送IP地址 
sockAddr.sin_port = htons(1234);  //端口

字节顺序包括NBO网络字节顺序和HBO主机字节顺序。NBO按从高到低的顺序存储，在网络上使用统一的网络字节顺序，可以避免兼容性问题。

不同的机器HBO不相同，与CPU设计有关。比如Intelx86架构下，short型数0x1234表示为34 12，而IBM power PC结构下,short型数0x1234表示为12 34。

为此我们需要进行转化：

htonl():host to network long
ntohl():network to host long
htons():host to network short
htons():network to host short

3. 实例

使用方法：在Visual Studio中建立两个解决方案，分别放入Server和Client，运行后在DEBUG文件中得到exe文件，先运行Server.exe然后运行Client.exe即可。

3.1 Server


#define  _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include <winsock2.h> 
#include<iostream>
#include<string>
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll  

#define BUF_SIZE 10086
using namespace std;  //直接用std好像会出现bug
using std::cout;

int main() {
    //初始化dll
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    //创建套接字  
    SOCKET servSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    //绑定套接字  
    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充  
    sockAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址  
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //回送IP地址 
    sockAddr.sin_port = htons(1234);  //端口  
    bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));

    //进入监听状态  
    listen(servSock, 20);

    //接收客户端请求  
    SOCKADDR clntAddr;
    int nSize = sizeof(SOCKADDR);
    char buffer[BUF_SIZE] = { 0 };  //缓冲区  
    while (1) {
        SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);
        int strLen = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);  //接收客户端发来的数据  
        cout << "收到的数据是：" << buffer<<endl;
        send(clntSock, buffer, strLen, 0);  //将数据原样返回  

        closesocket(clntSock);  //关闭套接字  
        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区  
    }
    //关闭套接字  
    closesocket(servSock);
    //终止 DLL 的使用  
    WSACleanup();
    return 0;
}

3.2 Client


#define  _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>  
#include <iostream>
#include <stdlib.h>  
#include <WinSock2.h>  
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll  
#define BUF_SIZE 10086

using std::cout;
using std::cin;
using std::endl;

int main() {
    //初始化DLL  
    WSADATA wsaData;
    int iResult = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
    if (iResult != 0) {
        printf("WSAStartup failed: %d\n", iResult);
        return 1;
    }

    //向服务器发起请求  
    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充  
    sockAddr.sin_family = PF_INET;
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");        //回送地址
    sockAddr.sin_port = htons(1234);

    char bufSend[BUF_SIZE] = { 0 };
    char bufRecv[BUF_SIZE] = { 0 };

    while (1)
    {
        //创建套接字  
        SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
        connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));
        //获取用户输入的字符串并发送给服务器  
        cout << "输入";
        cin >> bufSend;
        send(sock, bufSend, strlen(bufSend), 0);
        //接收服务器传回的数据  
        recv(sock, bufRecv, BUF_SIZE, 0);
        //输出接收到的数据  
        cout << "服务器传送回的数据为：" << bufRecv << endl;
        memset(bufSend, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区  
        memset(bufRecv, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区  
        closesocket(sock);  //关闭套接字

    }
    WSACleanup();  //终止使用 DLL  
    return 1;
}