windows C++ 网络编程

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一、什么是Socket
         socket即套接字，用于描述地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通过socket向网络发出请求或者回应。

sockets(套接字)编程有三种，流式套接字（SOCK_STREAM），数据报套接字（SOCK_DGRAM），原始套接字（SOCK_RAW）；前两种较常用。基于TCP的socket编程是采用的流式套接字。

（1）SOCK_STREAM：字节流传输，表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常用的HTTP协议就使用SOCK_STREAM传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。

（2）SOCK_DGRAM：数据报传输，表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为SOCK_DGRAM所做的校验工作少，所以效率比SOCK_STREAM高。

QQ视频聊天和语音聊天就使用SOCK_DGRAM传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。

注意：SOCK_DGRAM没有想象中的糟糕，不会频繁的丢失数据，数据错读只是小概率事件。

有可能多种协议使用同一种数据传输方式，所以在socket编程中，需要同时指明数据传输方式和协议。

二、客户端/服务端模式：
       在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程相互作用的主要模式是客户/服务器模式，即客户端向服务器发出请求，服务器接收请求后，提供相应的服务。客户/服务器模式的建立基于以下两点：

（1）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，从而就让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。

（2）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，这就是基于客户/服务端模式的TCP/IP。

服务端：建立socket，声明自身的端口号和地址并绑定到socket，使用listen打开监听，然后不断用accept去查看是否有连接，如果有，捕获socket，并通过recv获取消息的内容，通信完成后调用closeSocket关闭这个对应accept到的socket，如果不再需要等待任何客户端连接，那么用closeSocket关闭掉自身的socket。

客户端：建立socket，通过端口号和地址确定目标服务器，使用Connect连接到服务器，send发送消息，等待处理，通信完成后调用closeSocket关闭socket。

三、TCP 编程步骤
（1）服务端
1、加载套接字库，创建套接字（WSAStartup()/socket()）;

2、绑定套接字到一个IP地址和一个端口上（bind()）;

3、将套接字设置为监听模式等待连接请求（listen()）；

4、请求到来后，接受连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字（accept()）；

5、用返回的套接字和客户端进行通信（send()/recv()）；

6、返回，等待另一个连接请求；

7、关闭套接字，关闭加载的套接字库（closesocket()/WSACleanup()）；

（2）客户端
1、加载套接字库，创建套接字（WSAStartup()/socket()）；

2、向服务器发出连接请求（connect()）；

3、和服务器进行通信（send()/recv()）；

4、关闭套接字，关闭加载的套接字库（closesocket()/WSACleanup()）；

代码演示，基于TCP的C/S模型

 /*
 TCP服务端程序
 */

 #include "pch.h"
 #include <iostream>
 #include <winsock2.h>  

 #pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
 using namespace std;

 int main(int argc, char* argv[])
 {
     //初始化WSA
     WORD sockVersion = MAKEWORD(, );
     WSADATA wsaData;
     if (WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != )
     {
         return ;
     }

     //创建套接字
     SOCKET slisten = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
     if (slisten == INVALID_SOCKET)
     {
         cout << "create socket error !" << endl;
         return ;
     }

     //绑定IP和端口
     sockaddr_in sin;
     sin.sin_family = AF_INET;
     sin.sin_port = htons();
     sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;
     if (bind(slisten, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
     {
         cout << "bind error !" << endl;
     }

     //开始监听
     if (listen(slisten, ) == SOCKET_ERROR)
     {
         cout << "listen error !" << endl;
         return ;
     }

     //循环接收数据
     SOCKET sClient;
     sockaddr_in remoteAddr;
     int nAddrlen = sizeof(remoteAddr);
     char revData[];
     while (true)
     {
         cout << "阻塞。。。。等待连接。。。" << endl;
         sClient = accept(slisten, (SOCKADDR *)&remoteAddr, &nAddrlen);
         if (sClient == INVALID_SOCKET)
         {
             cout << "accept error !" << endl;
             continue;
         }

         cout << "接受到一个连接：" << inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr) << endl;

         //接收数据
         int ret = recv(sClient, revData, , );
         if (ret > )
         {
             revData[ret] = 0x00;
             printf(revData);
         }

         //发送数据
         const char * sendData = "你好，TCP客户端！\n";
         send(sClient, sendData, strlen(sendData), );
         closesocket(sClient);
     }

     closesocket(slisten);
     WSACleanup();
     return ;
 }

 /*
 TCP客户端代码
 */

 #include "stdafx.h"
 #include<winsock2.h>
 #include<iostream>
 #include<string>

 using namespace std;
 #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

 int main()
 {
     WORD sockVersion = MAKEWORD(, );
     WSADATA data;
     if (WSAStartup(sockVersion, &data) != )
     {
         return ;
     }

     while (true)
     {
         SOCKET sclient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
         if (sclient == INVALID_SOCKET)
         {
             cout << "invalid socket!" << endl;
             return ;
         }

         sockaddr_in serAddr;
         serAddr.sin_family = AF_INET;
         serAddr.sin_port = htons();
         serAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
         if (connect(sclient, (sockaddr *)&serAddr, sizeof(serAddr)) == SOCKET_ERROR)
         {
             //连接失败
             cout << "connect error !" << endl;
             closesocket(sclient);
             return ;
         }

         string data;
         cin >> data;
         const char * sendData;
         sendData = data.c_str();   //string转const char* 

         /*
         send()用来将数据由指定的socket传给对方主机
         int send(int s, const void * msg, int len, unsigned int flags)
             s为已建立好连接的socket，msg指向数据内容，len则为数据长度，参数flags一般设0
             成功则返回实际传送出去的字符数，失败返回-1，错误原因存于error
         */
         send(sclient, sendData, strlen(sendData), );

         char recData[];
         int ret = recv(sclient, recData, , );
         if (ret>)
         {
             recData[ret] = 0x00;
             cout << recData << endl;
         }
         closesocket(sclient);
     }

     WSACleanup();

     system("pause");
     return ;
 }

说明：服务端的accept函数是阻塞的，如果客户端不发起连接会一直阻塞。

下面是UDP的C/S模型代码

UDP服务端

 #include <stdio.h>
 #include <winsock2.h> 

 #pragma comment(lib,"ws2_32.lib")  

 int main(int argc, char* argv[])
 {
    WSADATA wsaData;
    WORD sockVersion = MAKEWORD(,);
    if(WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != )
    {
        return ;
    } 

    SOCKET serSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    if(serSocket == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("socket error !");
        return ;
    } 

    sockaddr_in serAddr;
    serAddr.sin_family = AF_INET;
    serAddr.sin_port = htons();
    serAddr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;
    if(bind(serSocket, (sockaddr *)&serAddr, sizeof(serAddr)) ==SOCKET_ERROR)
    {
        printf("bind error !");
        closesocket(serSocket);
        return ;
    } 

    sockaddr_in remoteAddr;
    int nAddrLen = sizeof(remoteAddr);
    while (true)
    {
        char recvData[];
        int ret = recvfrom(serSocket, recvData, , , (sockaddr*)&remoteAddr, &nAddrLen);
        if (ret > )
        {
            recvData[ret] = 0x00;
            printf("接受到一个连接：%s \r\n",inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr));
            printf(recvData);
        } 

        const char * sendData = "一个来自服务端的UDP数据包\n";
        sendto(serSocket, sendData,strlen(sendData), , (sockaddr *)&remoteAddr, nAddrLen);     

    }
    closesocket(serSocket);
    WSACleanup();
    return ;
 }

UDP客户端

 #include <stdio.h>
 #include <winsock2.h> 

 #pragma comment(lib,"ws2_32.lib")  

 int main(int argc, char* argv[])
 {
    WORD socketVersion = MAKEWORD(,);
    WSADATA wsaData;
    if(WSAStartup(socketVersion, &wsaData) != )
    {
        return ;
    }
    SOCKET sclient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); 

    sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = htons();
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    int len = sizeof(sin); 

    const char * sendData = "来自客户端的数据包.\n";
    sendto(sclient, sendData, strlen(sendData), , (sockaddr *)&sin,len); 

    char recvData[];
    int ret = recvfrom(sclient, recvData, , , (sockaddr *)&sin,&len);
    if(ret > )
    {
        recvData[ret] = 0x00;
        printf(recvData);
    } 

    closesocket(sclient);
    WSACleanup();
    return ;
 }

四、函数解析

SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

Windows 不把套接字作为普通文件对待，而是返回 SOCKET 类型的句柄。

1) af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。

127.0.0.1，它是一个特殊IP地址，表示本机地址。

也可以使用PF前缀，PF是“Protocol Family”的简写，它和AF是一样的。例如，PF_INET 等价于 AF_INET，PF_INET6 等价于 AF_INET6。

2) type 为数据传输方式，常用的有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM

3) protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

一般情况下有了 af 和 type 两个参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型，除非遇到这样的情况：有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。

tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //IPPROTO_TCP表示TCP协议

这种套接字称为 TCP 套接字。

udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); //IPPROTO_UDP表示UDP协议

这种套接字称为 UDP 套接字。

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, ); //创建TCP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, ); //创建UDP套接字

bind() 函数

int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen); //Windows

sock 为 socket 文件描述符，addr 为 sockaddr 结构体变量的指针，addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

sockaddr_in 结构体

struct sockaddr_in{
    sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型
    uint16_t sin_port; //16位的端口号
    struct in_addr sin_addr; //32位IP地址
    char sin_zero[]; //不使用，一般用0填充
};

1) sin_family 和 socket() 的第一个参数的含义相同，取值也要保持一致。

2) sin_prot 为端口号。uint16_t 的长度为两个字节，理论上端口号的取值范围为 0~65536，但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21，所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。端口号需要用 htons() 函数转换。

3) sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量。

4) sin_zero[8] 是多余的8个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为 0。

in_addr 结构体

sockaddr_in 的第3个成员是 in_addr 类型的结构体，该结构体只包含一个成员，如下所示：

struct in_addr{
    in_addr_t s_addr; //32位的IP地址
};

为什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr

bind() 第二个参数的类型为 sockaddr，而代码中却使用 sockaddr_in，然后再强制转换为 sockaddr，这是为什么呢？

sockaddr 结构体的定义如下：

struct sockaddr{
    sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型
    char sa_data[]; //IP地址和端口号
};

sockaddr 和 sockaddr_in 的长度相同，都是16字节，只是将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示。要想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“，遗憾的是，没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式，也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同，强制转换类型时不会丢失字节，也没有多余的字节。

connect() 函数

int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen); //Windows

listen() 函数

int listen(SOCKET sock, int backlog); //Windows

sock 为需要进入监听状态的套接字，backlog 为请求队列的最大长度。

当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。

缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据需求来定，并发量小的话可以是10或者20。

如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。
当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误，对于 Windows，客户端会收到 WSAECONNREFUSED 错误。

注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。

accept() 函数

SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen); //Windows

它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的：sock 为服务器端套接字，addr 为 sockaddr_in 结构体变量，addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。

accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字。后面和客户端通信时，要使用这个新生成的套接字，而不是原来服务器端的套接字。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。

send() 函数

int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);

sock 为要发送数据的套接字，buf 为要发送的数据的缓冲区地址，len 为要发送的数据的字节数，flags 为发送数据时的选项。
返回值和前三个参数不再赘述，最后的 flags 参数一般设置为 0 或 NULL，初学者不必深究。

五.其它

Windows 下的 socket 程序依赖 Winsock.dll 或 ws2_32.dll，必须提前加载。

#include <winsock2.h>  

使用DLL之前必须把DLL加载到当前程序，可以在编译时加载，也可以在程序运行时加载。这里使用#pragma命令，在编译时加载：

#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")

使用DLL之前，还需要调用 WSAStartup() 函数进行初始化，以指明 WinSock 规范的版本，它的原型为：

int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);

wVersionRequested 为 WinSock 规范的版本号，低字节为主版本号，高字节为副版本号（修正版本号）；lpWSAData 为指向 WSAData 结构体的指针。

关于 WinSock 规范：

WinSock 规范的最新版本号为 2.2

wVersionRequested 参数用来指明我们希望使用的版本号，它的类型为 WORD，等价于 unsigned short，是一个整数，所以需要用 MAKEWORD() 宏函数对版本号进行转换。例如：MAKEWORD(1, 2); //主版本号为1，副版本号为2，返回 0x0201

关于 WSAData 结构体

WSAStartup() 函数执行成功后，会将与 ws2_32.dll 有关的信息写入 WSAData 结构体变量。WSAData 的定义如下：

typedef struct WSAData {
    WORD wVersion; //ws2_32.dll 建议我们使用的版本号
    WORD wHighVersion; //ws2_32.dll 支持的最高版本号
    char szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+];//一个以 null 结尾的字符串，用来说明 ws2_32.dll 的实现以及厂商信息
    char szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+];//一个以 null 结尾的字符串，用来说明 ws2_32.dll 的状态以及配置信息
    unsigned short iMaxSockets; //2.0以后不再使用
    unsigned short iMaxUdpDg; //2.0以后不再使用
    char FAR *lpVendorInfo; //2.0以后不再使用
} WSADATA, *LPWSADATA;

最后3个成员已弃之不用，szDescription 和 szSystemStatus 包含的信息基本没有实用价值，读者只需关注前两个成员即可。

文件描述符有时也被称为文件句柄（File Handle），但“句柄”主要是 Windows 中术语。