Windows Socket编程基础

摘要

在学习服务器的过程中需要使用到winsock以及Socket编程，这里记录一下学到的Socket基础

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1. Socket套接字

   Socket就是一种通过(IP + Port)并遵循TCP/UDP等协议的进程间通信的技术，类似于UNIX中的管道，详细的教程度娘上很多。

   Socket主要有两类：
   (1) 标准Socket，又称为Berkeley Socket，主要用于Linux/UNIX
   (2) Winsock，主要用于Win平台

2. Socket函数

   以Winsock为例，有一系列基本的Socket函数用来实现Socket通信

   (1) Socket
   // Socket 函数用于创建一个Socket套接字，函数原型如下
   SOCKET socket(
     int af, //使用的协议族
     int type, //Socket类型
     int protocol //使用的协议地址
   );
   // Socket 协议族在计算机里表示为一个整数，可以取值AF_INET
   // Socket 类型有两种：SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM，代表流Socket(Tcp)和数据报Socket(UDP)
   
   // 如果函数成功，返回一个Socket套接字，否则，返回INVALID_SOCKET，在建立Socket连接之前，必须先创建所需的Socket套接字
   SOCKET s;
   s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
   

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   在QT使用socket函数的时候出现’undefined reference to `_imp__socket’ 错误，解决办法是在PRO文件中加入如下语句：

   CONFIG += c++11 // 以防万一
   LIBS += -lpthread libwsock32 libws2_32

   而且在头文件中需要引入<windows.h> 或者 <winsock2.h>

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   让我们接着Socket往下说

   (2) Connect
   // Connect函数用于尝试与远端建立一个Socket连接，函数原型如下：
   int connect(
       SOCKET s,   //Socket描述字
       const struct sockaddr* name,  //远端的地址
       int namelen   //远端地址的长度
   );
   // 在进行连接时，远端地址是一个SOCKADDR的结构，定义为：
   struct sockaddr_in {
       short sin_family,  //Socket组
       u_short sin_port, // 端口
       struct in_addr sin_addr, //IP地址
       char sin_zero[8]  //结构的长度
   }
   // 如果连接成功，返回0，否则返回SOCKET_ERROR。
   // 对于非阻塞模式的Socket连接，返回结果通常都是SOCKET_ERROR，
   //    并且错误代码为WSAEWOULDBLOCK，表示连接正在进行，而不是一个真正的错误
   
   //建立连接通常都是由客户端发出连接请求
   SOCKET s;
   SOCKADDR_IN ServerAddr;
   ServerAddr.sin_falimy = AF_INET;
   ServerAddr.sin_port = htons(80);  //也可以自定义其他Port
   ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
   connect(s, (SOCKADDR*)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));

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   在QT使用connect函数的时候，会与QT本身的connect函数冲突，解决办法是加::域分隔符，如下：

   ::connect(s,(SOCKADDR*)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));

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   让我们接着Connect往下说

   (3) Send
   // Send函数用于在某个Socket上向远端发送数据，原型为：
   int send(
       SOCKET s,
       const char* buf,   //存放发送数据的缓冲区
       int len,  //将要发送的数据长度
       int flags  //发送时使用的附加参数
   )
   // 如果发送成功，返回成功发送的字节数，否则返回SOCKET_ERROR
   
   (4) Recv
   int recv(
       SOCKET s,
       char* buf,  //存放接受数据的缓冲区
       int len,  //接受缓冲区的大小
       int flags  //接受时使用的附加标志
   )
   
   (5) Closesocket
   // 用于关闭不在需要的Socket
   int closesocket(
       SOCKET s  //Socket套接字
   )
   // 成功返回0，否则返回SOCKET_ERROR
   
    (6) Listen
    //Listen用于在某个Socket上建立监听，函数原型为：
    int listen(
        SOCKET s,
        int backlog   //缓存队列的长度
    )
    // 成功返回0，否则返回SOCKET_ERROR
    // 关于backlog参数，一般理解为协议层已经开始或已经完成连接的建立，但是应用程序还没有开始接受数据时，连接的数量未知。
    // 以前通常都是设为5，因为BSD4.2最大支持5，但是现在都是取SOMAXCONN，表示最大
   
    (7) Accept
    // 用于接受一条新的连接，注意：是接受连接而不是接受数据，原型为
    SOCKET accept(
        SOCKET s,  //监听中的Socket
        struct sockaddr* addr,  //表示地址结构体的指针
        int* addrlen //地址结构体的长度
    )
    // 成功返回一个新的Socket套接字，否则返回SOCKET_ERROR
   
    (8) Bind
    //用于给一个Socket套接字分配一个本地协议地址，原型为
    int bind(
        SOCKET s,
        const struct sockaddr* name,  //表示地址结构体的指针
        in namelen  //地址结构体的程度
    )
    // 成功返回0，否则返回SOCKET_ERROR
   
    (9) Select
    // 用于检测Socket状态，主要用于高级的网络通信模型：
    int select(
        int nfds, //Winsock中此函数无意义
        fd_set* readfds, //进行可读检测的Socket
        fd_set* writefds,//进行可写检测的Socket
        fd_set* exceptfds, //进行异常检测的Socket
        const struct timeval* timeout // 非阻塞模式中设置最大等待时间
    )
     // 成功返回0，否则返回SOCKET_ERROR

3. IP地址转换

   主要有三种IP地址
   (1) 无符号整数地址：127.0.0.1
   (2) ASCII地址：“127.0.0.1”
   (3) 域名地址：“localhost”

   转换方法：

   (1) 整数地址到ASCII地址的转换
   
   #include <arpa/inet.h>
   
   // ASCII => INT
   int inet_aton(const char *straddr, struct in_addr* adrp); // 0表示失败，1表示成功
   
   // INT => ASCII
   char *inet_ntoa( struct in_addr inaddr); //NULL表示失败，其他任何值表示成功
   
   
   (2) 域名地址与整数地址的相互转换
   
   # include <netdb.h>
   
   // DOMAIN => INT
   struct hostent *gethostbyname( const char * name);
   
   // INT => DOMAIN
   struct hostent *gethostbyaddr( const char *addr, int len, int family);

4. 字节转换

   由于大端对齐和小端对齐的原因，不同的计算机系统在进行网络通信时需要一个统一的格式，也就是Big Endian格式，称之为“网络字节顺序”(network byte order)，相对的本地计算机使用的数据格式为“本机字节顺序”(host byte order)

   关于大小端对齐的问题，计算机专业的童鞋应该不会陌生，不清楚的可以看看这篇blog：
   http://blog.youkuaiyun.com/yangcs2009/article/details/39698997

   在发送到网络之前，必须先转化为网络字节顺序，系统提供了一些相应的函数，用于字节顺序的转换，这些函数命名有一定的规律：h代表字节顺序(host或理解为本机顺序)；n代表网络顺序(network)

   u_long PASCAL FAR  hton1 ( IN u_long hostlong);
   //本地字节转化为网络字节顺序（长整数）
   u_short PASCAL FAR htons(IN u_short hostshort);
   //本地字节转化为网络字节顺序（短整数）
   u_long PASCAL FAR ntoh1 (IN u_long netlong);
   //网络字节转化为本地字节顺序（长整数）
   u_short PASCAL FAR ntohs ( IN u_short netshort);
   //网络字节转化为本地字节顺序（短整数）

   Q: 为什么在数据结构sockaddr_in中的sin_addr和sin_port要转换成网络字节顺序，而sin_family不需要呢？
   A: 答案是：sin_addr和sin_port分别封装在包的IP 和 UDP层，但是sin_family只是被本机使用来决定数据结构中包含什么类型的地址，没有被发送到网络上

5. 基本Socket通信

   服务器端基本流程：[初始化监听Socket]->[接受新的客户端连接]->[收发数据]->[关闭连接]

   //!!注意：在Windows下必须包含头文件ws2tcpip.h ，否则会报错：socklen_t was not declared in this scope
   
   //!!注意：在Windows下执行socket相关操作前，必须初始化WSADATA!!!!
   WSADATA wsaData;
   int nRet;
   if((nRet = WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)) != 0){
       exit(0);
   }

   (一) 初始化监听Socket

   // (1) 初始化Socket
   SOCKET s;
   s = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) // 使用流Socket，基于TCP协议
   
   // (2)绑定Socket
   SOCKADDR_IN ServerAddr;
   ServerAddr.sin_family = AF_INET;
   ServerAddr.sin_port = htons(9000);
   ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
   
   bind(s, (LPSOCKADDR)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));
   
   // (3)开始监听
   listen(s, SOMAXCONN);

   (二) 建立连接

   // (1) 检测Socket状态：函数select可以检测相应的Socket状态，从而决定是否需要建立新的连接
   fd_set readset;
   timeval timeout;
   timeout.tv_sec = 0;
   timeout.tv_usec = 0;
   FD_ZERO(&readset);
   FD_SET(s, &readset);
   int ret = select(FD_SETSIZE, &readset, NULL, NULL, &timeout);
   if(ret>0 && FD_ISSET(s, &readset))
   {
       //新连接
   }
   
   // (2) 建立新的连接：如果客户端有新的连接请求介入，则建立一个新的连接
   // 注意：使用accept建立新的连接时，需要使用新的socket进行通信（temp）
   SOCKADDR_IN ServerAddr;
   int len = sizeof(ServerAddr);
   SOCKET temp;
   temp = accept(s, (SOCKADDR*) &ServerAddr, (socklen_t*)&len);
   if(temp == INVALID_SOCKET){
       //链接失败
   }

   (三) 收发数据

   // (1) 检测读入数据
   fd_set readset;
   timeval timeout;
   timeout.tv_sec = 0;
   timeout.tv_usec = 0;
   FD_ZERO(&readset);
   FD_SET(s, &readset);
   int ret = select(FD_SETSIZE, &readset, NULL, NULL, &timeout);
   if(ret>0 && FD_ISSET(s, &readset))
   {
       //有新数据
   } 
   
   // (2) 接收数据
   char buf[1024];
   in ret;
   ret = recv(s, buf, 1024, 0);
   
   // (3) 检测发送数据
   fd_set sendset;
   timeval timeout;
   timeout.tv_sec = 0;
   timeout.tv_usec = 0;
   FD_ZERO(&sendset);
   FD_SET(s, &sendset);
   int ret = select(FD_SETSIZE, &sendset, NULL, NULL, &timeout);
   if(ret>0 && FD_ISSET(s, &sendset))
   {
       //可以发送新数据
   }  
   
   // (4) 发送数据
   char buf[1024];
   int ret;
   ret = send(s, buf, 1024, 0);

   (四) 关闭连接

   closesocket(s)

   客户端基本流程：[初始化监听Socket]->[建立连接]->[收发数据]->[关闭连接]

   (一) 初始化监听Socket

   // (1) 初始化Socket
   SOCKET s;
   s = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) // 使用流Socket，基于TCP协议
   
   // (2)绑定端口
   SOCKADDR_IN ServerAddr;
   ServerAddr.sin_family = AF_INET;
   ServerAddr.sin_addr_s_addr = htonl(INADDR_ANY);
   addr.sin_port = htons(0);
   bind(s, (LPSOCKADDR)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));
   // 客户端的IP地址和端口号都不需要固定，可以由系统分配，因此可以不适用bind函数绑定端口和协议
   
   // (3) 建立连接
   SOCKADDR_IN ServerAddr;
   ServerAddr.sin_family = AF_INET;
   ServerAddr.sin_port = htons(9000);
   ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
   connect(s, (SOCKADDR*)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr));