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

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

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);

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>

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));

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));

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Socketstruct 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Socketfd_set* writefds,//进行可写检测的Socketfd_set* exceptfds, //进行异常检测的Socketconst 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

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);

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.csdn.net/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

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));

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