C++ 之 SOCKET 通信详解

原创 已于 2025-04-23 15:56:28 修改 · 1.9k 阅读 · 31 ·
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#c++ #开发语言 #cuda #c语言

于 2025-03-27 00:00:00 首次发布

C++ 之 SOCKET 通信详解

  • SOCKET中首先我们要理解如下几个定义概念:

    • 一是IP地址:IP Address， 就是依照TCP/IP协议分配给本地主机的网络地址, 比如两个进程要通讯，任一进程要知道通讯对方的位置，就用对方的IP。
    • 二是端口号: 用来标识本地通讯进程,方便OS提交数据.就是说进程指定了对方进程的网络IP，但这个IP只是用来标识进程所在的主机,如何来找到运行在这个主机的这个进程呢,就用端口号。
    • 三是连接: 指两个进程间的通讯链路
    • 四是半相关: 网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程：（协议，本地地址，本地端口号）
    • 五是全相关：一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识：（协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号）

  • 运行模式：

    • 在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器模式（Client/Server model），即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。
    • 客户/服务器模式的建立基于以下两点：首先，建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而造就拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用。其次，网间进程通信完全是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是客户/服务器模式的TCP/IP。

  • 下面详细总结一下 SOCKET 相关原理

1. SOCKET 基础

  • Socket 是计算机网络中的端点，客户端和服务器通过Socket进行通信。每个Socket都是由操作系统提供的一个API，它封装了网络协议栈的各种细节，程序通过调用Socket相关函数来完成数据的发送和接收。

  • Socket的类型在网络编程中，主要有两种Socket类型：

    • TCP Socket (SOCK_STREAM)：面向连接的可靠通信。数据以流的形式传输，适用于要求可靠性、顺序传输的应用（如HTTP、FTP等）。
    • UDP Socket (SOCK_DGRAM)：无连接的、不可靠的通信方式。数据报文独立发送，不保证顺序、可靠性，适用于对实时性要求较高但对丢包可以容忍的场景（如DNS、视频流、实时游戏等）。

  • Socket是网络通信端点，TCP协议提供可靠连接（类似打电话），UDP协议提供无连接服务（类似发短信）。

  • 完整流程总结

1. ​初始化 Winsock：WSAStartup()
​2. 创建 Socket：socket()
​3. 绑定地址​（服务器）：bind()
​4. 监听连接​（TCP 服务器）：listen()
​5. 接受连接​（TCP 服务器）：accept()
​6. 连接服务器​（TCP 客户端）：connect()
​7. 数据传输：send()/recv() 或 sendto()/recvfrom()
​8. 关闭 Socket：closesocket()
​9. 清理资源：WSACleanup()

2. 基础接口

1. 初始化与清理

  • WSAStartup()
    ​功能：初始化 Winsock 库，必须在使用其他 Socket 函数前调用。
  • ​函数原型：
int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);

​参数： wVersionRequested：请求的 Winsock 版本（如 MAKEWORD(2, 2) 表示 2.2 版本）。
lpWSAData：指向 WSADATA 结构的指针，用于返回库的详细信息。
​返回值：成功返回 0，失败返回非零错误码。

  • ​示例：
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
    std::cerr << "WSAStartup 失败，错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
    return 1;
}
  • ​WSACleanup()
    ​功能：清理 Winsock 库资源，程序退出前调用。
  • ​函数原型：
int WSACleanup();

​返回值：成功返回 0，失败返回 SOCKET_ERROR。 ​
注意事项：必须与 WSAStartup() 成对使用。

2. Socket 的创建与关闭

  • ​socket()
    ​功能：创建 Socket 句柄。
    ​- 函数原型：
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

​参数： af：地址族（如 AF_INET 表示 IPv4，AF_INET6 表示 IPv6）。
type：Socket 类型（SOCK_STREAM 为 TCP，SOCK_DGRAM 为 UDP）。
protocol：协议类型（通常设为 0，系统自动选择）。
​返回值：成功返回 SOCKET 句柄，失败返回 INVALID_SOCKET。

​- 示例：

SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (sock == INVALID_SOCKET) {
    std::cerr << "socket 失败，错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
}
  • ​closesocket()
    ​功能：关闭 Socket 句柄（Windows 专用，替代 close()）。
  • ​函数原型：
int closesocket(SOCKET s);

​返回值：成功返回 0，失败返回 SOCKET_ERROR。

3. 地址绑定与连接

  • ​bind()
    ​功能：将 Socket 绑定到本地 IP 和端口。
    ​函数原型：
int bind(SOCKET s, const sockaddr* addr, int addrlen);

​参数：
s：Socket 句柄。
addr：指向 sockaddr_in（IPv4）或 sockaddr_in6（IPv6）的指针。
addrlen：地址结构体的长度。

​- 示例：

sockaddr_in serverAddr{};
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定所有网卡
serverAddr.sin_port = htons(8080);              // 端口 8080
if (bind(sock, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
    std::cerr << "bind 失败，错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
}
  • ​listen()
    ​功能：将 TCP Socket 设为监听模式，等待客户端连接。
  • ​函数原型：
int listen(SOCKET s, int backlog);

​参数：
backlog：等待连接队列的最大长度（通常设为 SOMAXCONN）。
​返回值：成功返回 0，失败返回 SOCKET_ERROR。

  • ​accept()
    ​功能：接受 TCP 客户端的连接请求，返回新 Socket 用于通信。
  • ​函数原型：
SOCKET accept(SOCKET s, sockaddr* addr, int* addrlen);

​参数：
addr：用于存储客户端地址的缓冲区。
addrlen：输入时为缓冲区大小，输出时为实际地址长度。 ​返回值：成功返回新
Socket，失败返回 INVALID_SOCKET。

  • ​connect()
    ​功能：TCP 客户端连接服务器；UDP 可指定默认目标地址。
  • ​函数原型：
int connect(SOCKET s, const sockaddr* name, int namelen);
  • ​示例：
sockaddr_in serverAddr{};
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serverAddr.sin_addr);
if (connect(sock, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
    std::cerr << "connect 失败，错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
}

4. 数据传输

  • ​TCP 数据传输
    ​send() 和 ​recv()：
int send(SOCKET s, const char* buf, int len, int flags);
int recv(SOCKET s, char* buf, int len, int flags);

参数： flags：控制选项（如 MSG_WAITALL 等待所有数据到达）。 ​
返回值：成功返回发送/接收的字节数，连接关闭返回 0，失败返回 SOCKET_ERROR。

  • ​UDP 数据传输
    ​sendto() 和 ​recvfrom()：
int sendto(SOCKET s, const char* buf, int len, int flags, const sockaddr* to, int tolen);
int recvfrom(SOCKET s, char* buf, int len, int flags, sockaddr* from, int* fromlen);

​- 示例​（UDP 服务器接收数据）：

char buffer[1024];
sockaddr_in clientAddr{};
int clientAddrLen = sizeof(clientAddr);
int bytesRead = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0,
                         (sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);

5. 错误处理

​WSAGetLastError()
​功能：获取最后一次 Socket 操作的错误码。

  • ​示例：
if (listen(sock, 5) == SOCKET_ERROR) {
    int error = WSAGetLastError();
    std::cerr << "listen 错误，错误码: " << error << std::endl;
}

3. 一个简单的C++ TCP服务器和客户端

  • 服务端
/*
* 服务端
*/

#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <iostream>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  // 链接 Winsock 库

int main() {
    // 1. 初始化 Winsock
    WSADATA wsaData;
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
        std::cerr << "WSAStartup 失败！错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        return 1;
    }

    // 2. 创建 TCP Socket
    SOCKET serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (serverSocket == INVALID_SOCKET) {
        std::cerr << "创建 Socket 失败！错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // 3. 绑定地址
    sockaddr_in serverAddr{};
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定所有网卡
    serverAddr.sin_port = htons(8080);        // 端口 8080
    if (bind(serverSocket, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
        std::cerr << "绑定失败！错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        closesocket(serverSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // 4. 监听连接
    if (listen(serverSocket, SOMAXCONN) == SOCKET_ERROR) {
        std::cerr << "监听失败！错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        closesocket(serverSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    std::cout << "等待客户端连接..." << std::endl;

    // 5. 接受客户端连接
    sockaddr_in clientAddr{};
    int clientAddrLen = sizeof(clientAddr);
    SOCKET clientSocket = accept(serverSocket, (sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);
    if (clientSocket == INVALID_SOCKET) {
        std::cerr << "接受连接失败！错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        closesocket(serverSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // 6. 接收数据
    char buffer[1024];
    int bytesReceived = recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (bytesReceived > 0) {
        std::cout << "收到消息: " << std::string(buffer, bytesReceived) << std::endl;
    }

    // 7. 发送响应
    const char* response = "Hello from Windows Server!";
    send(clientSocket, response, strlen(response), 0);

    // 8. 关闭 Socket 和清理
    closesocket(clientSocket);
    closesocket(serverSocket);
    WSACleanup();
    return 0;
}
  • 客户端
/*
* 客户端
*/

#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <iostream>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

int main() {
    // 1. 初始化 Winsock
    WSADATA wsaData;
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
        std::cerr << "WSAStartup 失败！错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        return 1;
    }

    // 2. 创建 TCP Socket
    SOCKET clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (clientSocket == INVALID_SOCKET) {
        std::cerr << "创建 Socket 失败！错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // 3. 连接服务器
    sockaddr_in serverAddr{};
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_port = htons(8080);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serverAddr.sin_addr);
    if (connect(clientSocket, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {
        std::cerr << "连接服务器失败！错误码: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        closesocket(clientSocket);
        WSACleanup();
        return 1;
    }

    // 4. 发送数据
    const char* message = "Hello from Windows Client!";
    send(clientSocket, message, strlen(message), 0);

    // 5. 接收响应
    char buffer[1024];
    int bytesReceived = recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (bytesReceived > 0) {
        std::cout << "服务器响应: " << std::string(buffer, bytesReceived) << std::endl;
    }

    // 6. 关闭 Socket 和清理
    closesocket(clientSocket);
    WSACleanup();
    return 0;
}
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