【vc】14_网络编程_socket编程

1、计算机网络基本知识

　　最简单的网络程序如图：

　　提示：IP地址就相当于一个公司的总机号码，端口号就相当于分机号码。在打电话时，拨通总机后，还需要转到分机上。

（1）协议

　　　　·为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定（=语义+语法+规则）；

　　　　·不同层具有各自不同的协议；

（2）网路的状况

　　　　·多种通信媒介---有线、无线···

　　　　·不同种类的设备---通用、专用···

　　　　·不同的操作系统---UNIX、Windows···

　　　　·不同的应用环境---固定、移动···

　　　　·不同的业务种类---分时、交互、实时···

　　　　·宝贵的投资和积累---有形、无形···

　　　　·用户业务的延续性---不允许出现大的跌岩起伏；

　　　他们互相交织，形成了非常复杂的系统应用环境。　　　　

（3）ISO/OSI七层参考模型

　　　　·物理层：提供二进制传输，确定在通信信道上如何传输比特流；

　　　　·数据链路层：提供介质访问，加强物理层的传输功能，建立一条无差错的传输线路；

　　　　·网络层：提供IP寻址和路由（网络上数据可以经由多条线路到达目的地，网络层负责找出最佳的传输线路）；

　　　　·传输层：为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务，隔离网络的上下层协议，使得网络应用与下层协议无关；

　　　　·会话层：在两个相互通信的应用进程之间建立、组织和协调其相互之间的通信；

　　　　·表示层：处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义；如有必要，可使用一种通用的数据表示格式，在多种数据表示之间进行转换。例如在日期、货币、数值等本地数据表示格式和标准数据表示格式之间进行转换，还有数据的加解密、压缩和解压缩等；

　　　　·应用层：为用户的网络应用程序提供网络通信的服务；

　　　注意：在进行一次网络通信时，每一层为本次通信提供本次的服务（通信实体的对等体之间不允许直接通信）；

　　　　　　各层之间是严格单向依赖；

　　　　　　上层使用下层提供的服务---Service user；

　　　　　　下层向上层提供服务---Service provider；

（图片引用于别处）

　　应用层、传输层、网络层各使用的协议：

　　　　应用层：Telnet（远程登录协议）、FTP（文件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）、DNS（域名服务）、SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议）等；

　　　　传输层：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）;

　　　　网络层：网际协议IP、Internet互联网控制报文协议ICMP、Internet组管理协议IGMP；

（4）数据封装

　　　　·一台计算机要想另一台计算机发送数据，首先必须将该数据打包，打包的过程成为封装（即：在数据前面加上特定的协议头部）；

　　　　·PDU(协议数据单元)：对等层协议之间交换的信息单元的统称；

　　　　·头部含有的数据中含有王城数据传输所需的控制信息；

（5）TCP/IP模型

（6）端口

　　　　·传输层提供进程（活动的应用程序）通信的能力；为了标识通信实体中进行通信的进程（应用程序），TCP/IP协议提出了协议端口（protocol port，简称端口）的概念；

　　　　·端口用一个整数型标识符来表示，即端口号；端口号跟协议相关，TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块，因此各自的端口号也相互独立；

　　　　·我们在编写网络应用程序时，要为程序指定1024以上的端口号；1024以下端口号保留给预定义的服务；

（7）套接字的引入

　　　　·套接字存在于通信区域中；通信区域也叫地址族，主要用于将通过套接字通信的进程的共有特性综合在一起；

　　　　·套接字通常只与同一区域的套接字交换数据（也有可能跨区域通信，但这只在执行了某种转换进程后才能实现）；

　　　　·Windows Sockets只支持一个通信区域：网际域（AF_INET），这个域被使用网际协议簇通信的进程使用；

（8）网络字节顺序

　　　　·不同的计算机存放多字节的顺序不同；

　　　　·基于Inter的CPU，采用的是低位先存。为保证数据的正确性，在网络协议中需要指定网络字节顺序，TCP/IP协议使用16位整数和32位整数的高位先存格式；

　　　　·网络中不同主机间进行通信时，要同一采用网络字节顺序；

（9）客户机/服务器模式

图片来自：http://pic002.cnblogs.com/images/2012/387401/2012111509190090.jpg

　　客户机/服务器在操作过程中采用主动请求的方式，首先服务器方要先启动，并根据请求提供相应的服务：

　　　　①打开一个通信通道并告知本地主机，他愿意在某一地址可端口上接收客户请求；

　　　　②等待客户请求到达该端口；

　　　　③接收到重复服务请求，处理请求并发送应答信息。接收到并发起服务请求，要激活一个新的进程（或线程）来处理这个客户请求。新进程（或线程）处理此客户请求，并不需要对其他请求做出应答。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链接，并终止；

　　　　④返回第二步，等待另一客户请求；

　　　　⑤关闭服务器；

　　客户方：

　　　　①打开一个通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；

　　　　②想服务器发送服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求；

　　　　③请求结束后关闭通信通道并终止；

2、Windows Sockets的实现

　　Socket是连接应用程序与网络驱动程序的桥梁，Socket在应用程序中创建，通过绑定操作与驱动程序建立关系。此后，应用程序送给Socket的数据，由Socket交给驱动程序向网络上发送出去。计算机从网络上收到与该Socket绑定的IP地址和端口号相关的数据后，由驱动程序交给Socket。应用程序便可从该Socket中提取接收到的数据。

（1）套接字的类型

　　　　·流式套接字（SOCK_STREAM）

　　　　　　　提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据乌差错、无重复的发送，且按接发送顺序接收；SOCK_STREAM是基于TCP协议实现的；

　　　　·数据报式套接字（SOCK_DGRAM）

　　　　　　　提供无连接服务；数据包以独立包形式发送，不提供无差错保证，数据可能丢失和重复，并且接收顺序混乱；SOCK_DGRAM是基于 UDP协议实现的；

　　　　·原始套接字（SOCK_RAW）

（2）基于TCP（面向连接）的Socket编程

　　基于基于TCP（面向连接）的Socket编程的服务端程序流程如下：

　　　　①创建套接字（socket）；

　　　　②将套接字绑定到一个本地地址和端口上（bind）；（解释：告诉本地主机它打算在哪个IP地址和哪个端口上等待客户请求）

　　　　③将套接字设为监听模式，准备接收客户请求（listen）；

　　　　④等待客户请求到来；当请求到来后，接受连接请求，返回一个新的对应于此连接的套接字（accept）；

　　　　⑤用返回的套接字和客户端进行通信（send/recv）；

　　　　⑥返回，等待另一个客户请求；

　　　　⑦关闭套接字；

　　基于基于TCP（面向连接）的Socket编程的客户端程序流程如下：

　　　　①创建套接字（socket）；

　　　　②向服务器发出连接请求（connect）；

　　　　③和服务器端进行通信（send/recv）；

　　　　④关闭套接字；

　　在服务器端，当调用accept函数时，程序就会等待，等待客户端调用connect函数发出连接请求，然后服务器端接收该请求，于是双方就建立了连接，之后，服务器端和客户端就可以利用send和recv函数进行通信了。

（3）基于UDP（面向无连接）的socket编程

　　接收端（服务器端）：先启动的一端；发送端（客户端）：发送数据的一端；

　　接收端程序的编写：

　　　　①创建套接字（socket）；

　　　　②将套接字绑定到一个本地地址和端口上（bind）；（解释：接收端告诉本地主机，它是在哪个地址和端口上等待数据的到来）

　　　　③等待接收数据（recvfrom）；

　　　　④关闭套接字；

　　客户端程序的编写：

　　　　①创建套接字（socket）；

　　　　②向服务器发送数据（sendto）；

　　　　③关闭套接字；

提示：套接字表示了通信的端点；利用套接字通信与利用电话机通信是一样的，套接字相当于电话机，IP地址相当于总机号码，端口号相当于分机。

3、相关函数

　　（1）WSAStartup函数

int WSAStartup(
  WORD wVersionRequested,  //指定准备加载的Winsock库的版本；
  LPWSADATA lpWSAData       //是一个返回值，指向WSADATA结构的指针
);
//lpWSAdata：这是一个返回值，指向WSADATA结构的指针，WSAStartup函数用其加载的库版本有关的信息填在这个结构中；

　　　　·功能：①加载套接字库；

　　　　　　　 ②进行套接字库的版本的协商（确定将使用的socket版本）；

　　　　·对于每一个WSAStartup函数的成功调用（即成功加载WinSock动态库后），在最后对应一个WASCleanUp调用，来释放该程序占用的资源，终止对WinSock动态库的使用。

typedef struct WSAData {
  WORD                  wVersion;
  WORD                  wHighVersion;
  char                  szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+];
  char                  szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+];
  unsigned short        iMaxSockets;
  unsigned short        iMaxUdpDg;
  char FAR *            lpVendorInfo;
} WSADATA, *LPWSADATA; 

　　　　·WSAStartup函数把WSADate结构中的第一个字段wVersion设置为打算使用的Winsock版本，wHighVersion字段容纳的是现有的Winsock库的最高版本；

　　　　·注意：这两个字段中，高位字节代表的是Winsock副版本，而低字节代表的则是Winsock朱版本；

　　（2）socket函数

SOCKET socket(
  int af,       //指定地址簇，对于TCP/IP协议的套接字，它只能是AF_INET（或PF_INET）；
  int type,     //指定socket类型（SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM）
  int protocol  //与特定的地址家族相关的协议；
);

　　　　·如果socket函数调用成功，它就会返回一个新的SOCKET数据类型的套接字描述符；调用失败，返回一个INVALID_SOCKET值，错误信息可以通过WSAGetLastError函数返回。

　　（3）bind函数

int bind(
  SOCKET s,   //指定要绑定的套接字；
  const struct sockaddr FAR *name,  //指向sockaddr结构的指针变量，指定了该套接字的本地地址信息；
  int namelen    //指定sockaddr地址结构的长度；
);

　　　　·name：指定了该套接字的本地地址信息；指向sockaddr结构的指针变量，由于该地址结构是为所有的地址家族准备的，这个结构可能随所使用的网络协议不同而不同，故：第三个参数（namelen）指定改地址结构的长度；

　　　　·功能：创建套接字成功之后，将该套接字绑定到本地的某个地址和端口上；

sockaddr结构定义如下：

struct sockaddr {
  u_short    sa_family;
  char       sa_data[];
};  

　　　　·sockaddr结构的第一个字段（sa_family）指定地址家族，对于TCP/IP协议的套接字，必须设置为AF_INET；
　　　　·第二个地段（sa_data）仅仅是表示要求一块内存分配区，起到占用的作用，该区域中指定与协议相关的具体地址信息；

　　·注意：由于实际要求的只是内存去，所以对于不同的协议家族，用不同的结构来替代sockaddr。处理sa_family外，sockaddr是按网络字节顺序表示的。

　　　　　 **在基于TCP/IP的socket编辑过程中，可以用sockaddr_in结构替换sockaddr以方便我们填写地址信息**。

sockaddr_in结构体的定义如下：

struct sockaddr_in{
 short sin_family;         //表示地址族；（对于IP地址，改变量一直是AF_INET）
 unsigned short sin_port; //指定将要分配给套接字的端口；
 IN_ADDR sin_addr;      //给出套接字的主机IP地址；
 char sin_zero[];};      //填充数（使sockaddr_in和sockaddr长度一样）；

　　　　·sockaddr_in结构中sin_addr成员的类型是in_addr，该结构的定义如下所示：

struct in_addr {
  union {
          struct { u_char s_b1,s_b2,s_b3,s_b4; }   S_un_b;
          struct { u_short s_w1,s_w2; }            S_un_w;
          u_long                                   S_addr;
  } S_un;
};

　　·提示：in_addr结构实际上是一个联合，通常利用这个结构将一个点分十进制格式的IP地址转换为u_long类型，并将结果赋给成员S_addr。

　　（4）inet_addr和inet_intoa函数

unsigned long inet_addr(  const char   FAR *cp  );

　　　　·inet_addr函数需要一个字符串作为其参数，该字符串指定了以点分十进制格式表示的IP地址（如192.168.0.16）；而且inet_addr函数会返回一个适合分配给S_addr的u_long类型的数值；

char FAR * inet_ntoa(  struct   in_addr in  );

　　　　·inet_ntoa函数完成与inet_addr相反的转换，它接收一个in_addr结构体类型的参数并返回一个以点分十进制格式表示的IP地址字符串；

　　（5）listen函数

int listen(
  SOCKET s,   // 套接字描述符；
  int backlog // 等待**连接队列**的最大长度；
);

　　　　·作用：将指定的套接字设置为监听模式；

　　（6）accept函数

SOCKET accept(
  SOCKET s,   //套接字描述符，该套接字已经通过listen函数将其设置为监听状态；
  struct sockaddr FAR *addr,
  int FAR *addrlen  //是一个返回值，指向一个整型的指针，返回包含地址信息的长度；
);

　　　　·功能：接受客户端发出的连接请求；

　　　　·addr参数：指向一个缓冲区的指针，该缓冲区用来接收连接实体的地址，也就是当客户端服务器发起连接，服务器接受这个连接时，保存发起连接的这个客户端的IP地址信息和端口信息；

　　（7）send函数

int send(
  SOCKET s,             //一个已经建立连接的套接字；
  const char FAR *buf,  //buf指向一个缓冲区，该缓冲区包含将要传递的数据；
  int len,              //len是缓冲区的长度；
  int flags             //flogs：设定的值将影响函数的行为，一般将器设置为0即可；
);

　　　　·功能：通过一个已建立连接的套接字发送数据；

　　（8）recv函数

int recv(
  SOCKET s,       //s：建立连接后准备接收数据的那个套接字；
  char FAR *buf,  //buf：指向缓冲区的指针，用来保存接收的数据；
  int len,        //len：缓冲区的长度；
  int flags       //同send的flags；
);

　　　　·功能：从一个已连接的套接字接收数据；

　　（9）connect

int connect(
  SOCKET s,                        //s:即将在其上建立连接的那个套接字；
  const struct sockaddr FAR *name, //name：设定连接的服务器地址信息；
  int namelen                      //namelen：指定服务器端地址的长度；
);

　　　　·功能：将与一个特定的套接字建立连接；

　　（10）recvfrom

int recvfrom(
  SOCKET s,                   //s:准备接收数据的套接字；
  char FAR* buf,              //buf:指向缓冲区的指针，该缓冲区用来接收数据；
  int len,                    //len：缓冲区长度；
  int flags,                  //不解释
  struct sockaddr FAR *from,  //from：是一个指向地址结构的指针，主要是用来接收发送数据方的地址信息；
  int FAR *fromlen            //整型指针，且是一个in/out类型的参数；
)；

　　　　·功能：将接收一个数据报信息并保存源地址；

　　　　·fromlen：是一个in/out类型的参数，表明在调用前需要给它指定一个初始值，当函数调用之后，会通过这个参数返回一个值，该返回值是底地址结构的大小；

　　（11）sendto

int sendto(
  SOCKET s,
  const char FAR *buf,
  int len,
  int flags,
  const struct sockaddr FAR *to,  //可选的指针，指定目标套接字的地址；
  int tolen                       //tolen：是参数to中指定的地址的长度；
);

　　　　·功能：将向一个特定的目的方发送数据；

　　（12）htons 和htonl 函数

u_short htons(
  u_short hostshort  //hostshort：是一个以主机字节顺序表示的16为数值；
);

　　　　·功能：（Windows Sockets的htons函数）将把一个u_short类型的值从主机字节顺序转换为TCP/IP网络字节顺序；

u_long htonl(
  u_long hostlong  //是一个以主机字节顺序表示的32位数值；
);

　　　　·功能：将把一个u_long类型的值从主机字节顺序转换为TCP/IP网络字节顺序；

4、基于TCP的网络应用程序的编写

　　服务器端程序：

#include <stdio.h>
#include <Winsock2.h>

void main()
{
    //加载套接字库
    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err;

    wVersionRequested = MAKEWORD( ,  );  //MAKEWORD宏创建一个包含一个请求版本号的WORD值；
                      //MAKEWORD(x,y)宏(x是高位字节, y是低位字节)可以方便的获取wVersionRequested的正确值；
    err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );

    if ( err !=  ) {
        return;
    }

    if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) !=  ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) !=  ) {
        WSACleanup( );
        return;
    }
    //①创建用于监听的套接字
    SOCKET sockSrv = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );

    SOCKADDR_IN addrSrv;
    addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
    addrSrv.sin_family = AF_INET;
    addrSrv.sin_port = htons();

    bind(sockSrv, (sockaddr*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR) );    //②绑定套接字

    listen(sockSrv, );    //③将套接字设为监听模式，准备就收客户请求

    SOCKADDR_IN addrClient;
    int len = sizeof(SOCKADDR);

    while()
    {
        SOCKET sockConn = accept(sockSrv, (SOCKADDR*)&addrClient, &len);    //④等待客户请求到来
        char sendBuf[];
        sprintf(sendBuf, "welcome %s to http://www.cnblog.com.aze-003", inet_ntoa(addrClient.sin_addr));

        send( sockConn, sendBuf, strlen(sendBuf)+, );    //发送数据 注意：“+1”：表示增加1个“\0”结尾标志；

        char recvBuf[];
        recv( sockConn, recvBuf, , );    //接收数据
        printf("%s\n", recvBuf);    //打印接收的数据

        closesocket(sockConn);    //⑦关闭套接字
    }
}
/*    ④等待客户请求到来;当请求到来后，接收连接请求，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连接通信（send/recv）；
    ⑥返回，等待另一客户请求；
    注意：在调用accept函数前，必须为它的第三个参数赋予一个初始值，即：SOCKADDR_IN结构体的长度；

       进入循环，首先调用accept函数等待并接收客户的连接请求，其中第一个参数是处于监听状态的套接字；
    第二个参数利用addrClient变量接收客户端的地址信息。当客户端连接请求到来时，该函数接受该请求，建
    立连接，同时它将返回一个相对于当前这个新连接的一个套接字描述符，保存于sockConn变量中，然后利用
    这个套i蛾子就可以与客户端进行通信了，而我们先前的套接字仍然继续监听客户端的连接请求；
  */

TCP_Srv

　　客户端程序：

#include <stdio.h>
#include <Winsock2.h>

void main()
{
    //加载套接字库
    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err;

    wVersionRequested = MAKEWORD( ,  );

    err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );

    if ( err !=  ) {
        return;
    }

    if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) !=  ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) !=  ) {
        WSACleanup( );
        return;
    }
    //①创建套接字
    SOCKET sockClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );

    SOCKADDR_IN addrSrv;
    addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    addrSrv.sin_family = AF_INET;
    addrSrv.sin_port = htons();

    //②向服务器发出连接请求
    connect(sockClient, (SOCKADDR*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR));    

    //③和服务器进行通信（send/recv）
    char recvBuf[];
    recv(sockClient, recvBuf, , );    //接收数据
    printf("%s\n", recvBuf);

    send(sockClient, "this is lisi", strlen("this is lisi")+, );    //发送数据

    closesocket(sockClient);    //④关闭套接字

    WSACleanup();
}

TCP_Client

5、基于UDP的网络应用程序的编写

　　服务器端程序：　

//UDP_Srv.cpp
#include <stdio.h>
#include <Winsock2.h>

void main()
{
    //加载套接字库
    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err;

    wVersionRequested = MAKEWORD( ,  );

    err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );

    if ( err !=  ) {
        return;
    }

    if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) !=  ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) !=  ) {
        WSACleanup( );
        return;
    }
    //①创建套接字
    SOCKET sockSrv = socket( AF_INET, SOCK_DGRAM, );
    SOCKADDR_IN addrSrv;
    addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(ADDR_ANY);
    addrSrv.sin_family = AF_INET;
    addrSrv.sin_port = htons();
    //②绑定套接字
    bind(sockSrv, (SOCKADDR*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR));
    //③等待并接收数据 （UDP服务器就是一个接收端）
    SOCKADDR_IN addrClient;
    int len = sizeof(SOCKADDR);
    char recvBuf[];
    recvfrom(sockSrv, recvBuf, , , (SOCKADDR*)&addrClient, &len);
    printf("%s\n", recvBuf);

    closesocket(sockSrv);    //④关闭套接字
    WSACleanup();
}

UDP_Srv.cpp

　　客户端程序：

//UDP_Client.cpp
#include<WINSOCK2.H>
#include<STDIO.H>

void main()
{
    //加载套接字库
    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err;

    wVersionRequested = MAKEWORD( ,  );

    err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );

    if ( err !=  ) {
        return;
    }

    if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) !=  ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) !=  ) {
        WSACleanup( );
        return;
    }
    //创建套接字
    SOCKET sockClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, );
    SOCKADDR_IN sockSrv;
    sockSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    sockSrv.sin_family = AF_INET;
    sockSrv.sin_port = htons();
    //发送数据
    sendto(sockClient, "hello!", strlen("hello!")+, , (SOCKADDR*)&sockSrv, sizeof(SOCKADDR));
    //关闭套接字
    closesocket(sockClient);
    WSACleanup();

}

UDP_Client.cpp

2014-08-14　　

23:56:21