網(wǎng)絡通信編程技術2

第二章Winsock編程接口Winsock是Windows下網(wǎng)絡編程的標準接口，它允許兩個或多個應用程序在相同機器上，或者是通過網(wǎng)絡相互交流。Winsock是真正的協(xié)議無關的接口，本章主要講述如何使用它來編寫應用層的網(wǎng)絡應用程序。2.1Winsock庫Winsock庫有兩個版本，Winsock1和Winsock2。現(xiàn)在開發(fā)網(wǎng)絡應用程序都使用Winsock2，需要在程序中包含頭文件winsock2.h，它包含了絕大部分socket函數(shù)和相關結構類型的聲明和定義。同時要添加的還有到WS2_32.lib庫的鏈接。包含必要的頭文件，設置好鏈接環(huán)境之后，便可進行下面的編碼工作了。2.1Winsock庫Winsock庫的裝入和釋放每個Winsock應用程序必須加載相應版本的WinsockDLL。如果在調用Winsock函數(shù)前沒有加載Winsock庫，函數(shù)返回SOCKET_ERROR，出錯代碼將是WSANOTINITIALISED。加載Winsock庫的函數(shù)是WSAStartup，其定義如下。intWSAStartup(WORDwVersionRequested,//指定想要加載的Winsock庫的版本，高字節(jié)為次版本號，低字節(jié)為主版本號LPWSADATAlpWSAData//一個指向WSADATA結構的指針，用來返回DLL庫的詳細信息);wVersionRequested參數(shù)用來指定想要加載的Winsock庫的版本。為了建立此參數(shù)的值，可以使用宏MAKEWORD(x,y)，其中x是高字節(jié)，y是低字節(jié)。lpWSAData是一個指向LPWSADATA結構的指針，WSAStartup使用所加載庫的版本信息填充它。typedefstructWSAData{WORDwVersion;//庫文件建議應用程序使用的版本W(wǎng)ORDwHighVersion;//庫文件支持的最高版本charszDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1];//庫描述字符串charszSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+1];//系統(tǒng)狀態(tài)字符串unsignedshortiMaxSockets;//同時支持的最大套接字的數(shù)量unsignedshortiMaxUdpDg;//2.0版中已廢棄的參數(shù)charFAR*lpVendorInfo;//2.0版中已廢棄的參數(shù)}WSADATA,FAR*LPWSADATA;函數(shù)調用成功返回0。否則要調用WSAGetLastError函數(shù)查看出錯的原因。此函數(shù)的作用相當于API函數(shù)GetLastError，它取得最后發(fā)生錯誤的代碼。每一個對WSAStartup的調用必須對應一個對WSACleanup的調用，這個函數(shù)釋放Winsock庫。intWSACleanup(void);所有的Winsock函數(shù)都是從WS2_32.DLL導出的，VC++在默認情況下并沒有鏈接到該庫，如果想使用WinsockAPI，就必須包含相應的庫文件。#pragmacomment(lib,"WS2_32")2.1.2封裝CInitSock類每次寫網(wǎng)絡程序都必須編寫代碼載入和釋放Winsock庫，為了今后討論方便，這里封裝一個CInitSock類來管理Winsock庫，類的使用方法見下一小節(jié)。#include<winsock2.h>//initsock.h文件#pragmacomment(lib,"WS2_32")//鏈接到WS2_32.libclassCInitSock{public:CInitSock(BYTEminorVer=2,BYTEmajorVer=2){//初始化WS2_32.dllWSADATAwsaData;WORDsockVersion=MAKEWORD(minorVer,majorVer);if(::WSAStartup(sockVersion,&wsaData)!=0){exit(0);}}~CInitSock(){::WSACleanup();}};2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序因為Winsock要兼容多個協(xié)議，所以必須使用通用的尋址方式。TCP/IP使用IP地址和端口號來指定一個地址，但是其他協(xié)議也許采用不同的形式。如果Winsock強迫使用特定的尋址方式，添加其他協(xié)議就不大可能了。Winsock的第一個版本使用sockaddr結構來解決此問題。structsockaddr

{

u_shortsa_family;charsa_data[14];};2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序在這個結構中，第一個成員sa_family指定了這個地址使用的地址家族。sa_data成員存儲的數(shù)據(jù)在不同的地址家族中可能不同。本書僅僅使用Internet地址家族（TCP/IP），Winsock已經(jīng)定義了sockaddr結構的TCP/IP版本——sockaddr_in結構。它們本質上是相同的結構，但是第2個更容易操作。在Winsock中，應用程序通過SOCKADDR_IN結構來指定IP地址和端口號，定義如下。structsockaddr_in{shortsin_family;//地址家族（即指定地址格式），應為AF_INETu_shortsin_port;//端口號structin_addrsin_addr;//IP地址charsin_zero[8];//空字節(jié)，要設為0};（1）sin_family域必須設為AF_INET，它告訴Winsock程序使用的是IP地址家族。（2）sin_port域指定了TCP或UDP通信服務的端口號。應用程序在選擇端口號時必須小心，因為有一些端口號是保留給公共服務使用的，如FTP和HTTP?；旧?，端口號可分成如下3個范圍：公共的、注冊的、動態(tài)的（或私有的）。z0～1023由IANA（InternetAssignedNumbersAuthority）管理，保留為公共的服務使用。z1024～49151是普通用戶注冊的端口號，由IANA列出。z49152～65535是動態(tài)和/或私有的端口號。2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序普通用戶應用程序應該選擇1024～49151之間的注冊了的端口號，以避免使用了一個其他應用程序或者系統(tǒng)服務已經(jīng)使用的端口號。在49152～65535之間的端口號也可以自由地使用，因為沒有服務注冊這些端口號。（3）sin_addr域用來存儲IP地址（32位），它被定義為一個聯(lián)合來處理整個32位的值，兩個16位部分或者每個字節(jié)單獨分開。描述32位IP地址的in_addr結構定義如下。structin_addr{union{struct{u_chars_b1,s_b2,s_b3,s_b4;}S_un_b;//以4個u_char來描述struct{u_shorts_w1,s_w2;}S_un_w;//以2個u_short來描述u_longS_addr;//以1個u_long來描述}S_un;};2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序用字符串“aa.bb.cc.dd”表示IP地址時，字符串中由點分開的4個域是以字符串的形式對in_addr結構中的4個u_char值的描述。由于每個字節(jié)的數(shù)值范圍是0~255，所以各域的值都不可超過255。（4）最后一個域sin_zero沒有使用，是為了與SOCKADDR結構大小相同才設置的。應用程序可以使用inet_addr函數(shù)將一個由小數(shù)點分隔的十進制IP地址字符串轉化成由32位二進制數(shù)表示的IP地址。inet_ntoa是inet_addr函數(shù)的逆函數(shù)，它將一個網(wǎng)絡字節(jié)順序的32位IP地址轉化成字符串。unsignedlonginet_addr(constchar*cp);//將一個"aa.bb.cc.dd"類型的IP地址字符串轉化為32位的二進制數(shù)char*inet_ntoa(structin_addrin);//將32位的二進制數(shù)轉化為字符串注意，inet_addr返回的32位二進制數(shù)是用網(wǎng)絡順序存儲的，下一小節(jié)詳細講述字節(jié)順序。2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序2.2.2字節(jié)順序字節(jié)順序是長度跨越多個字節(jié)的數(shù)據(jù)被存儲的順序。例如，一個32位的長整型0x12345678跨越4個字節(jié)（每個字節(jié)8位）。Intelx86機器使用小尾順序（little-endian），意思是最不重要的字節(jié)首先存儲。因此，數(shù)據(jù)0x12345678在內存中的存放順序是0x78、0x56、0x34、0x12。大多數(shù)不使用小尾順序的機器使用大尾順序（big-endian），即最重要的字節(jié)首先存儲。同樣的值在內存中的存放順序將是0x12、0x34、0x56、0x78。因為協(xié)議數(shù)據(jù)要在這些機器間傳輸，所以就必須選定其中的一種方式做為標準，否則會引起混淆。TCP/IP統(tǒng)一規(guī)定使用大尾方式傳輸數(shù)據(jù)，也稱為網(wǎng)絡字節(jié)順序。例如，端口號（它是一個16位的數(shù)字）12345（0x3039）的存儲順序是0x30、0x39。32位的IP地址也是以這種方式存儲的，IP地址的4部分存儲在4個字節(jié)中，第一部分存儲在第一個字節(jié)中。上述sockaddr和sockaddr_in結構中，除了sin_family成員（它不是協(xié)議的一部分）外，其他所有值必須以網(wǎng)絡字節(jié)順序存儲。Winsock提供了一些函數(shù)來處理本地機器的字節(jié)順2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序2.2.2字節(jié)順序u_shorthtons(u_shorthostshort);//將u_short類型變量從主機字節(jié)順序轉化到TCP/IP網(wǎng)絡字節(jié)順序u_longhtonl(u_longhostlong);//將u_long類型變量從主機字節(jié)順序轉化到TCP/IP網(wǎng)絡字節(jié)順序u_shortntohs(u_shortnetshort);//將u_short類型變量從TCP/IP網(wǎng)絡字節(jié)順序轉化到主機字節(jié)順序u_longntohl(u_longnetlong);//將u_long類型變量從TCP/IP網(wǎng)絡字節(jié)順序轉化到主機字節(jié)順序2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序初始化sockaddr_in結構sockaddr_insockAddr;//設置地址家族sockAddr.sin_family=AF_INET;//轉化端口號6789到網(wǎng)絡字節(jié)順序，并安排它到正確的成員sockAddr.sin_port=htons(6789);//inet_addr函數(shù)轉化一個"aa.bb.cc.dd"類型的IP地址字符串到長整型，//它是以網(wǎng)絡字節(jié)順序記錄的IP地址sockAddr.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("");//也可以用下面的代碼設置IP地址（通過設置4個字節(jié)部分，設置sockAddr的地址）/*sockAddr.sin_addr.S_un.S_un_b.s_b1=127;sockAddr.sin_addr.S_un.S_un_b.s_b2=0;sockAddr.sin_addr.S_un.S_un_b.s_b3=0;sockAddr.sin_addr.S_un.S_un_b.s_b4=1;*/2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序2.2.3獲取地址信息通常，主機上的接口被靜態(tài)地指定一個IP地址，或者是由配置協(xié)議來分配，如動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）。如果DHCP服務器不能到達，系統(tǒng)會使用AutomaticPrivateIPAddressing（APIPA）自動分配/16范圍內的地址。2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序2.2.3獲取地址信息1．獲取本機IP地址獲取本機的IP地址比較簡單，下面的GetAllIps例子打印出了本機使用的所有IP（一個適配器一個IP地址），程序代碼如下。#include"../common/InitSock.h"http://GetAllIps工程#include<stdio.h>CInitSockinitSock;//初始化Winsock庫voidmain(){charszHost[256];

//取得本地主機名稱

::gethostname(szHost,256);

//通過主機名得到地址信息

hostent*pHost=::gethostbyname(szHost);

//打印出所有IP地址

in_addraddr;

for(inti=0;;i++)

{char*p=pHost->h_addr_list[i];//p指向一個32位的IP地址

if(p==NULL)break;

memcpy(&addr.S_un.S_addr,p,pHost->h_length);

char*szIp=::inet_ntoa(addr);

printf("本機IP地址：%s\n",szIp);}}GetAllIps先調用gethostname取得本地主機的名稱，然后通過主機名得到其地址信息。2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序2.2.3獲取地址信息有時為了檢測網(wǎng)絡，或者為了一些其他特殊的目的，需要自己來直接操作原始數(shù)據(jù)幀（第9章再具體講述），這就需要獲取自己和LAN中其他主機的MAC地址。獲取本地機器的MAC地址很容易，使用幫助函數(shù)GetAdaptersInfo即可。此函數(shù)的作用是獲取本地機器的適配器信息，用法如下。DWORDGetAdaptersInfo(PIP_ADAPTER_INFOpAdapterInfo,//指向一個緩沖區(qū)，用來取得IP_ADAPTER_INFO結構的列表–PULONGpOutBufLen//用來指定上面緩沖區(qū)的大小。如果大小不夠，此參數(shù)返回所需大小);//函數(shù)調用成功返回ERROR_SUCCESSIP_ADAPTER_INFO結構包含了本地計算機上網(wǎng)絡適配器的信息，定義如下。typedefstruct_IP_ADAPTER_INFO{struct_IP_ADAPTER_INFO*Next;//指向適配器列表中的下一個適配器（計算機可能有多個適配器）2.2Winsock的尋址方式和字節(jié)順序2.2.3獲取地址信息程序見LocalhostInfo2.3Winsock編程詳解使用TCP創(chuàng)建網(wǎng)絡應用程序稍微復雜一些，因為TCP是面向連接的協(xié)議，需要通信雙方首先建立一個連接。本節(jié)先以建立簡單的TCP客戶端和服務器端應用程序為例，詳細說明Winsock的編程流程，然后再介紹較為簡單的UDP編程。2.3Winsock編程詳解2.3.1Winsock編程流程1．套接字的創(chuàng)建和關閉使用套接字之前，必須調用socket函數(shù)創(chuàng)建一個套接字對象，此函數(shù)調用成功將返回套接字句柄。SOCKETsocket(intaf,//用來指定套接示使用的地址格式，WinSock中只支持AF_INETinttype,//用來指定套接字的類型intprotocol//配合type參數(shù)使用，用來指定使用的協(xié)議類型。可以是IPPROTO_TCP等);2.3Winsock編程詳解2.3.1Winsock編程流程1．套接字的創(chuàng)建和關閉當type參數(shù)指定為SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM時，系統(tǒng)已經(jīng)明確使用TCP和UDP來工作，所以protocol參數(shù)可以指定為0。函數(shù)執(zhí)行失敗返回INVALID_SOCKET（即-1），可以通過調用WSAGetLastError取得錯誤代碼。也可以使用Winsock2的新函數(shù)WSASocket來創(chuàng)建套接字，與socket相比，它提供了更多的參數(shù)，如可以自己選擇下層服務提供者、設置重疊標志等，后面再具體討論它。當不使用socket創(chuàng)建的套接字時，應該調用closesocket函數(shù)將它關閉。如果沒有錯誤發(fā)生，函數(shù)返回0，否則返回SOCKET_ERROR。函數(shù)用法如下。intclosesocket(SOCKETs);//函數(shù)惟一的參數(shù)就是要關閉的套接字的句柄2.3Winsock編程詳解2.3.12．綁定套接字到指定的IP地址和端口號bind函數(shù)用在沒有建立連接的套接字上，它的作用是綁定面向連接的或者無連接的套接字。套接字被socket函數(shù)創(chuàng)建以后，存在于指定的地址家族里，但它是未命名的。bind函數(shù)通過安排一個本地名稱到未命名的socket而建立此socket的本地關聯(lián)。本地名稱包含3部分：主機地址、協(xié)議號（分別為UDP或TCP）和端口號。本節(jié)的TCPServer程序使用以下代碼綁定套接字s到本地地址。2.3Winsock編程詳解2.3.12．綁定套接字到指定的IP地址和端口號//填充sockaddr_in結構sockaddr_insin;sin.sin_family=AF_INET;sin.sin_port=htons(4567);sin.sin_addr.S_un.S_addr=INADDR_ANY;//綁定這個套接字到一個本地地址if(::bind(sListen,(LPSOCKADDR)&sin,sizeof(sin))==SOCKET_ERROR){printf("Failedbind()\n");return0;}sockaddr_in結構中的sin_familly字段用來指定地址家族，該字段和socket函數(shù)中的af參數(shù)的含義相同，所以惟一可以使用的值就是AF_INET。sin_port字段和sin_addr字段分別指定套接字需要綁定的端口號和IP地址。放入這兩個字段的數(shù)據(jù)的字節(jié)順序必須是網(wǎng)絡字節(jié)順序。因為網(wǎng)絡字節(jié)順序和IntelCPU的字節(jié)順序剛好相反，所以必須首先使用htons函數(shù)進行轉換。如果應用程序不關心所使用的地址，可以指定Internet地址為INADDR_ANY，指定端口號為0。如果Internet地址等于INADDR_ANY，系統(tǒng)會自動使用當前主機配置的所有IP地址，簡化了程序設計；如果端口號等于0，程序執(zhí)行時系統(tǒng)會為這個應用程序分配惟一的端口號，其值在1024～5000之間。應用程序可以在bind之后使用getsockname來知道為它分配的地址。但是要注意，直到套接字連接上之后getsockname才可能填寫Internet地址，因為對一個主機來說可能有多個地址是可用的。TCP客戶端程序也可以在不顯式綁定地址和端口號的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)或者連接。在這種情況下，系統(tǒng)也會默認地為套接字綁定一個本地端口（1024～5000之間）。2.3Winsock編程詳解2.3.12．綁定套接字到指定的IP地址和端口號3．設置套接字進入監(jiān)聽狀態(tài)listen函數(shù)設置套接字進入監(jiān)聽狀態(tài)。intlisten(SOCKETs,//套接字句柄intbacklog//監(jiān)聽隊列中允許保持的尚未處理的最大連接數(shù)量);為了接受連接，首先使用socket函數(shù)創(chuàng)建套接字，然后使用bind函數(shù)將它綁定到本地地址，再用listen函數(shù)為到達的連接指定backlog，最后使用accept接受請求的連接。listen僅應用在支持連接的套接字上，如SOCK_STREAM類型的套接字。函數(shù)執(zhí)行成功后，套接字s進入了被動模式，到來的連接會被通知要排隊等候接受處理。在同一時間處理多個連接請求的服務器通常使用listen函數(shù)，如果一個連接請求到達，并且排隊已滿，客戶端將接收到WSAECONNREFUSED錯誤。2.3Winsock編程詳解2.3.12．綁定套接字到指定的IP地址和端口號3．設置套接字進入監(jiān)聽狀態(tài)4．接受連接請求accept函數(shù)用于接受到來的連接。SOCKETaccept(SOCKETs,//套接字句柄structsockaddr*addr,//一個指向sockaddr_in結構的指針，用于取得對方的地址信息int*addrlen//一個指向地址長度的指針);2.3Winsock編程詳解2.3.12．綁定套接字到指定的IP地址和端口號3．設置套接字進入監(jiān)聽狀態(tài)4．接受連接請求該函數(shù)在s上取出未處理連接中的第一個連接，然后為這個連接創(chuàng)建新的套接字，返回它的句柄。新創(chuàng)建的套接字是處理實際連接的套接字，它與s有相同的屬性。程序默認工作在阻塞模式下，這種方式下如果沒有未處理的連接存在，accept函數(shù)會一直等待下去，直到有新的連接發(fā)生才返回。addrlen參數(shù)用于指定addr所指空間的大小，也用于返回地址的實際長度。如果addr或者addrlen是NULL，則沒有關于遠程地址的信息返回?？蛻舳顺绦蛟趧?chuàng)建套接字之后，要使用connect函數(shù)請求與服務器連接，2.3Winsock編程詳解2.3.12．綁定套接字到指定的IP地址和端口號3．設置套接字進入監(jiān)聽狀態(tài)4．接受連接請求5．收發(fā)數(shù)據(jù)對流套接字來說，一般使用send和recv函數(shù)來收發(fā)數(shù)據(jù)。intsend(SOCKETs,//套接字句柄constcharFAR*buf,//要發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)地址intlen,//緩沖區(qū)長度intflags//指定了調用方式，通常設位0);intrecv(SOCKETs,charFAR*buf,intlen,int);send函數(shù)在一個連接的套接字上發(fā)送緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)，返回發(fā)送數(shù)據(jù)的實際字節(jié)數(shù)。recv函數(shù)從對方接收數(shù)據(jù)，并將其存儲到指定的緩沖區(qū)。flags參數(shù)在這兩函數(shù)中通常設為0。在阻塞模式下，send將會阻塞線程的執(zhí)行直到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢（或者發(fā)生錯誤），而recv函數(shù)將返回盡可能多的當前可用信息，直到達到緩沖區(qū)指定的大小。2.3Winsock編程詳解2.3.12．綁定套接字到指定的IP地址和端口號2.3.2典型過程圖TCP服務器程序和客戶程序的創(chuàng)建過程如圖2.2所示。服務器端創(chuàng)建監(jiān)聽套接字，并為它關聯(lián)一個本地地址（指定IP地址和端口號），然后進入監(jiān)聽狀態(tài)準備接受客戶的連接請求。為了接受客戶端的連接請求，服務器端必須調用accept函數(shù)?？蛻舳藙?chuàng)建套接字后即可調用connect函數(shù)去試圖連接服務器監(jiān)聽套接字。當服務器端的accept函數(shù)返回后，connect函數(shù)也返回。此時客戶端使用socket函數(shù)創(chuàng)建的套接字，服務器端使用accept函數(shù)創(chuàng)建的套接字，雙方就可以通信了。2.3Winsock編程詳解2.3Winsock編程詳解2.3.3TCP服務器和客戶端程序舉例下面是最簡單的TCP服務器程序和TCP客戶端程序的例子。這兩個程序都是控制臺界面的Win32應用程序，分別在配套光盤的TCPServer和TCPClient工程下。運行服務器程序TCPServer，如果沒有錯誤發(fā)生，將在本地機器上的4567端口上等待客戶端的連接。如果沒有連接請求，服務器會一直處于休眠狀態(tài)。運行服務器之后，再運行客戶端程序TCPClient，其最終效果如圖2.3所示。客戶端連接到了服務器，雙方套接字可以通信了。程序見TCPServer2.3Winsock編程詳解2.3.4UDP編程TCP由于可靠、穩(wěn)定的特點而被用在大部分場合，但它對系統(tǒng)資源要求比較高。UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議，又叫用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議。它提供了無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。無連接是指它不像TCP那樣在通信前先與對方建立連接以確定對方的狀態(tài)。不可靠是指它直接按照指定IP地址和端口號將數(shù)據(jù)包發(fā)出去，如果對方不在線的話數(shù)據(jù)就可能丟失。1．UDP編程流程（1）服務器端程序設計流程如下。①創(chuàng)建套接字（socket）。②綁定IP地址和端口（bind）。③收發(fā)數(shù)據(jù)（sendto/recvfrom）。④關閉連接（closesocket）。（2）客戶端程序設計流程如下。①創(chuàng)建套接字（socket）。②收發(fā)數(shù)據(jù)（sendto/recvfrom）。③關閉連接（closesocket）。UDP用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的函數(shù)是sendto和recvfrom，它們的用法如下。同樣，UDP接收數(shù)據(jù)時也需要知道通信對端的地址信息。intrecvfrom(SOCKETs,charFAR*buf,intlen,intflags,structsockaddrFAR*from,intFAR*fromlen);這個函數(shù)比recv函數(shù)多出