通信编程：Winsock socket 编程步骤与样例

目录

• 套接字编写流程
  • 套接字的创建
  • 绑定 socket 和地址
  • 进入监听状态
  • 接收连接请求
  • 收发数据
  • 关闭套接字
• TCP 套接字样例
  • 功能设计
  • 程序工作流程
  • 编码实现
    • 服务器
    • 客户端
  • 运行效果
• UDP 套接字
  • 工作流程
  • 数据收发
  • 程序编写
    • 服务器
    • 客户端
  • 运行效果
• 参考资料

套接字编写流程

以 TCP 套接字为例，由于 TCP 是面向连接的协议，所以基于 TCP 的套接字也需要有多个步骤。

套接字的创建

在进行网络通信之前，都需要使用 socket() 函数创建一个套接字对象。

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

参数	说明
af	socket 使用的地址格式
type	指定套接字的类型
protocol	指定使用的协议类型

其中 WinSock 中只支持 AF_INET 作为地址格式，一般 type 确定后 protocol 也会随之确定。socket 的 type 可以是以下几种类型：

type	类型	说明
SOCK STREAM	流套接字	使用TCP提供有连接的可靠的传输
SOCK DGRAM	数据报套接字	使用UDP提供无连接的不可靠的传输
SOCK RAW	原始套接字	不使用某种特定的协议去封装它，而是由程序自行处理数据报以及协议首部

绑定 socket 和地址

创建了 socket 对象后，需要为该对象绑定 IP 地址和端口号，需要使用到 bind() 函数。

bind(
    _In_ SOCKET s,
    _In_reads_bytes_(namelen) const struct sockaddr FAR * name,
    _In_ int namelen
    );

参数	说明
s	套接字句柄
name	要关联的本地地址
namelen	地址长度

一般来说 s 就是刚刚创建的 socket 对象，name 可一个 sockaddr_in 结构，namelen 则直接对一个 sockaddr_in 结构用 sizeof() 运算即可。

进入监听状态

绑定地址后，socket 就可以进入监听状态，这个时候就可以接收传来的链接信息了。为了进入监听状态，需要使用 listen() 函数。

listen(
    _In_ SOCKET s,
    _In_ int backlog
    );

参数	说明
s	套接字句柄
backlog	监听队列的长度

接收连接请求

客户端想要与服务器建立一条 TCP 连接，需要使用 connect() 函数。

int
WSAAPI
connect(
    _In_ SOCKET s,
    _In_reads_bytes_(namelen) const struct sockaddr FAR * name,
    _In_ int namelen
    );

服务器使用 accept() 函数将在监听队列中，取出未处理连接中的第一个连接，然后为这个连接创建新的套接字，返回它的句柄。新创建的套接字是处理实际连接的套接字，它与 s 有相同的属性。

accept(
    _In_ SOCKET s,
    _Out_writes_bytes_opt_(*addrlen) struct sockaddr FAR * addr,
    _Inout_opt_ int FAR * addrlen
    );

connect() 函数和 accept() 函数的参数相同：

参数	说明
s	套接字句柄
name	要连接的设备的地址信息
namelen	地址长度

name 中的地址用来寻址远程的 socket，一般来说监听状态下是一个循环等待的过程。此时程序默认工作在阻塞模式下，如果没有未处理的连接存在，accept() 函数会一直等待下去，直到有新的连接发生才返回。

收发数据

对于流套接字来说，一般使用 send() 函数来发送缓冲区内的数据，返回发送数据的实际字节数。

send(
    _In_ SOCKET s,
    _In_reads_bytes_(len) const char FAR * buf,
    _In_ int len,
    _In_ int flags
    );

参数	说明
s	套接字句柄
buf	要发送的数据
len	要发送的数据的长度
flags	调用方式，通常为 0

可以使用 recv() 函数从对方接收数据，并将其存储到指定的缓冲区。

recv(
    _In_ SOCKET s,
    _Out_writes_bytes_to_(len, return) __out_data_source(NETWORK) char FAR * buf,
    _In_ int len,
    _In_ int flags
    );

参数	说明
s	套接字句柄
buf	接收的数据要存储的变量
len	能接收的数据的长度
flags	调用方式，通常为 0

在阻塞模式下，send 将会阻塞线程的执行直到所有的数据发送完毕（或者发生错误），而 recv 函数将返回尽可能多的当前可用信息，直到达到缓冲区指定的大小。

关闭套接字

当不使用 socket 创建的套接字时，应该调用 closesocket() 函数将它关闭。

int
WSAAPI
closesocket(
    _In_ SOCKET s
    );

参数	说明
s	套接字句柄

TCP 套接字样例

功能设计

模拟实现 TCP 协议通信过程，要求编程实现服务器端与客户端之间双向数据传递。也就是在一条 TCP 连接中，客户端和服务器相互发送一条数据即可。

程序工作流程

由于前面的流程是对于单个客户端或服务器的编码流程，这里给出一组客户端和服务器工作的流程。

编码实现

注意无论是客户端还是服务器，都需要包含头文件 initsock.h 来载入 Winsock。

服务器

#include "initsock.h"
#include <iostream>
using namespace std;

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库

int main()
{
    // 创建套接字
    SOCKET sListen = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (sListen == INVALID_SOCKET)
    {
        cout << "Failed socket()" << endl;
        return 0;
    }

    // 填充sockaddr_in结构
    sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = htons(4567);
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定这个套接字到一个本地地址
    if (::bind(sListen, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
    {
        cout << "Failed bind()" << endl;
        return 0;
    }

    // 进入监听模式
    if (::listen(sListen, 2) == SOCKET_ERROR)
    {
        cout << "Failed listen()" << endl;
        return 0;
    }

    // 循环接受客户的连接请求
    sockaddr_in remoteAddr;
    int nAddrLen = sizeof(remoteAddr);
    SOCKET sClient;
    char szText[] = "你好!";
    while (TRUE)
    {
        cout << "服务端已启动，正在监听！
" << endl;

        // 接受一个新连接
        sClient = ::accept(sListen, (SOCKADDR*)&remoteAddr, &nAddrLen);
        if (sClient == INVALID_SOCKET)
        {
            cout << "Failed accept()" << endl;
            continue;
        }

        cout << "与主机 " << inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr) << "建立连接：" << endl;

        // 接收数据
        char buff[256];
        int nRecv = ::recv(sClient, buff, 256, 0);
        if (nRecv > 0)
        {
            buff[nRecv] = '';
            cout << "接收到数据：" << buff << endl;
        }

        // 向客户端发送数据
        ::send(sClient, szText, strlen(szText), 0);
        // 关闭同客户端的连接
        ::closesocket(sClient);
    }

    // 关闭监听套接字
    ::closesocket(sListen);

    return 0;
}

客户端

#include "initsock.h"
#include <iostream>
using namespace std;

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库

int main()
{
    // 创建套接字
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    if (s == INVALID_SOCKET)
    {
        cout << " Failed socket()" << endl;
        return 0;
    }

    // 也可以在这里调用bind函数绑定一个本地地址,否则系统将会自动安排
    // 填写远程地址信息
    sockaddr_in servAddr;
    servAddr.sin_family = AF_INET;
    servAddr.sin_port = htons(4567);
    // 填写服务器程序（TCPServer程序）所在机器的IP地址
    char serverAddr[] = "127.0.0.1";
    servAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(serverAddr);

    //与服务器建立连接
    if (::connect(s, (sockaddr*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == -1)
    {
        cout << " Failed connect()" << endl;
        return 0; 
    }

    cout << "与服务器 " << serverAddr << "建立连接" << endl;

    //向服务器发送数据
    char szText[] = "你好，服务器!";
    int slen = send(s, szText, 100, 0);
    if (slen > 0)
    {
        cout << "向服务器发送数据：" << szText << endl;
    } 

    // 接收数据
    char buff[256];
    int nRecv = ::recv(s, buff, 256, 0);
    if (nRecv > 0)
    {
        buff[nRecv] = '';
        cout << "接收到数据：" << buff << endl;
    }

    // 关闭套接字
    ::closesocket(s);
    return 0;
}

运行效果

UDP 套接字

工作流程

UDP 用户数据报协议提供的是无连接的、不可靠的数据传输服务，但是不需要像 TCP 那样建立连接，所以传输效率高。

数据收发

UDP 使用的发送数据的函数是 sendto()，比较不同的是发送数据时需要填写接收方的地址。

int
WSAAPI
sendto(
    _In_ SOCKET s,
    _In_reads_bytes_(len) const char FAR * buf,
    _In_ int len,
    _In_ int flags,
    _In_reads_bytes_(tolen) const struct sockaddr FAR * to,
    _In_ int tolen
    );

接收数据的函数是 recvfrom()，接收数据时需要把发送方的地址存出来。

int
WSAAPI
recvfrom(
    _In_ SOCKET s,
    _Out_writes_bytes_to_(len, return) __out_data_source(NETWORK) char FAR * buf,
    _In_ int len,
    _In_ int flags,
    _Out_writes_bytes_to_opt_(*fromlen, *fromlen) struct sockaddr FAR * from,
    _Inout_opt_ int FAR * fromlen
    );

sendto() 和 recvfrom() 的参数相似：

参数	说明
s	用来发送数据的套接字
buf	指向发送数据的缓冲区
len	要发送数据的长度
flags	一般指定为 0
to/from	指向一个包含目标地址和端口号的 sockaddr in 结构
tolen/fromlen	sockaddr in 结构的大小

程序编写

服务器

#include "initsock.h"
#include <iostream>
using namespace std;
CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库

int main()
{
    // 创建套接字
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    if (s == INVALID_SOCKET)
    {
        cout << "Failed socket()" << endl;
        return 0;
    }

    // 填充sockaddr_in结构
    sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = htons(4567);
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定这个套接字到一个本地地址
    if (::bind(s, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
    {
        cout << "Failed bind()" << endl;
        return 0;
    }

    cout << "服务端已启动！
" << endl;

    // 进入循环
    char buff[1024];
    sockaddr_in addr;
    int nLen = sizeof(addr);
    while (TRUE)
    {
        //接收数据
        int nRecv = ::recvfrom(s, buff, 1024, 0, (sockaddr*)&addr, &nLen);
        if (nRecv > 0)
        {
            buff[nRecv] = '';
            cout << " 接收到" << ::inet_ntoa(addr.sin_addr) << "的数据：" << buff << endl;
        }

        // 发送数据
        char szText[] = "你好，客户端！";
        ::sendto(s, szText, strlen(szText), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    }
    ::closesocket(s);
}

客户端

#include "initsock.h"
#include <iostream>
using namespace std;

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库

int main()
{
    // 创建套接字
    SOCKET s = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    if (s == INVALID_SOCKET)
    {
        printf("Failed socket() %d 
", ::WSAGetLastError());
        return 0;
    }

    // 也可以在这里调用bind函数绑定一个本地地址
    // 否则系统将会自动安排

    // 填写远程地址信息
    sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(4567);
    //填写服务器程序所在机器的IP地址
    addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    // 发送数据
    char szText[] = "你好，服务器！";
    ::sendto(s, szText, strlen(szText), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    
    char buff[1024];
    sockaddr_in client_addr;
    int nLen = sizeof(client_addr);
    int nRecv = ::recvfrom(s, buff, 1024, 0, (sockaddr*)&client_addr, &nLen);
    if (nRecv > 0)
    {
        buff[nRecv] = '';
        cout << "  接收到" << ::inet_ntoa(client_addr.sin_addr) << "的数据：" << buff << endl;
    }

    ::closesocket(s);
    return 0;
}

运行效果

参考资料

《Windows 网络与通信编程》，陈香凝 王烨阳 陈婷婷 张铮 编著，人民邮电出版社