Windows Socket编程精华《TCP通信服务器》

Posted 2020-12-16 chinasirius

1、网络中进程之间如何通信？ 

首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

 使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。网络通信中需要采用三元组：协议、IP地址、端口号。

 2、什么是Socket？ 

上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。

 3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

 3.1、socket()函数

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

 正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

 domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。

type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。

protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

 当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

 3.2、bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

 int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数的三个参数分别为：

 sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是： 

struct sockaddr_in {

    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */

    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */

    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */

};

 

/* Internet address. */

struct in_addr {

    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */

};

ipv6对应的是： 

struct sockaddr_in6 { 

    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 

    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 

    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 

    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 

    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 

};

 

struct in6_addr { 

    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 

};

Unix域对应的是： 

#define UNIX_PATH_MAX    108

 

struct sockaddr_un { 

    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 

    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 

};

addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

 网络字节序与主机字节序

主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：

 　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

 　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

 网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

 所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

 3.3、listen()、connect()函数

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

 

int listen(int sockfd, int backlog);

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

 connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

 3.4、accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

 int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

 注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

 3.5、read()、write()等函数

万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

 read()/write()

recv()/send()

readv()/writev()

recvmsg()/sendmsg()

recvfrom()/sendto()

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

 

       #include <unistd.h>

 

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

 

       #include <sys/types.h>

       #include <sys/socket.h>

 

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

 

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,

                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,

                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

 

       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

 write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

 其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。

 3.6、close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

 

#include <unistd.h>

int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

 注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

 4、socket中TCP的三次握手建立连接详解

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

 客户端向服务器发送一个SYN J

服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1

客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

 从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

 总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

 5、socket中TCP的四次握手释放连接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

 

 图示过程如下： 

某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；

另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；

一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；

接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

6.Windows下的socket 

WinSock是一个基于套接字模型的API，在Microsoft Windows的操作系统中使用。它在以上介绍的Berkeley接口基础上，增加了消息驱动机制的windows扩展函数：

 gethostbyaddr、gethostbyname、WSAAsynSelect,WSAGetLastError等。

 winsock的使用首先调用WSAStartup（）初始化winsock，即检系统中是否有windows sockets的实现库。然后类似于berkeley的socket进行编程，最后需要调用WSACleanup函数，释放为应用程序分配的相关资源。

 下面的基于TCP的示例中详细的标出了应该进行的每一步，可以作为参考：

 

【server端】 

#include <winsock2.h>

#include <iostream>

 

#include <string.h>

using namespace std;

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

 const int DEFAULT_PORT = 8000;

int main(int argc,char* argv[])

{

 

    WORD    wVersionRequested;

    WSADATA wsaData;

    int        err,iLen;

    wVersionRequested    =    MAKEWORD(2,2);//create 16bit data

//(1)Load WinSock

    err    =    WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData);    //load win socket

    if(err!=0)

    {

        cout<<"Load WinSock Failed!";

        return -1;

    }

//(2)create socket

    SOCKET sockSrv = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    if(sockSrv == INVALID_SOCKET){

        cout<<"socket() fail:"<<WSAGetLastError()<<endl;

        return -2;

    }

//(3)server IP

    SOCKADDR_IN addrSrv;

    addrSrv.sin_family = AF_INET;

    addrSrv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//Auto IP, byte sequence change

    addrSrv.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);

//(4)bind

    err = bind(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));

    if(err!=0)

    {

 

        cout<<"bind()fail"<<WSAGetLastError()<<endl;

        return -3;

    }

    //

//(5)listen

    err = listen(sockSrv,5);

    if(err!=0)

    {

 

        cout<<"listen()fail"<<WSAGetLastError()<<endl;

        return -4;

    }

    cout<<"Server waitting...:"<<endl;

//(6)client ip

    SOCKADDR_IN addrClt;

    int len = sizeof(SOCKADDR);

 

    while(1)

    {

//(7)accept

        SOCKET sockConn = accept(sockSrv,(SOCKADDR*)&addrClt,&len);

        char sendBuf[1024],hostname[100];

        if(gethostname(hostname,100)!=0)    //get host name

            strcpy(hostname,"None");

        sprintf(sendBuf,"Welecome %s connected to %s!",inet_ntoa(addrClt.sin_addr),hostname);

//(8)send recv

        err = send(sockConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);

 

        char recvBuf[1024]="";

        iLen = recv(sockConn,recvBuf,1024,0);

 

        recvBuf[iLen]=‘‘;

        cout <<recvBuf<<endl;

//(9)close connected sock

        closesocket(sockConn);

    }

//(10)close server sock

    closesocket(sockSrv);

//(11)clean up winsock

    WSACleanup();

    return 0;

}

 

【client端】

 

#include <winsock2.h>

#include <iostream>

 

#include <string.h>

using namespace std;

 

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

 

 

const int DEFAULT_PORT = 8000;

int main(int argc,char* argv[])

{

 

    WORD    wVersionRequested;

    WSADATA wsaData;

    int        err,iLen;

    wVersionRequested    =    MAKEWORD(2,2);//create 16bit data

    //(1)Load WinSock

    err    =    WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData);    //load win socket

    if(err!=0)

    {

        cout<<"Load WinSock Failed!";

        return -1;

    }

    //(2)create socket

    SOCKET sockClt = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    if(sockClt == INVALID_SOCKET){

        cout<<"socket() fail:"<<WSAGetLastError()<<endl;

        return -2;

    }

    //(3)IP

    SOCKADDR_IN addrSrv;

    addrSrv.sin_family = AF_INET;

    addrSrv.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    addrSrv.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);

 

    //(5)connect

    err = connect(sockClt,(SOCKADDR*)&addrSrv,sizeof(SOCKADDR));

 

    if(err ==INVALID_SOCKET)

    {

        cout<<"connect() fail"<<WSAGetLastError()<<endl;

        return -1;

    }

 

        char sendBuf[1024],hostname[100];

        if(gethostname(hostname,100)!=0)    //get host name

            strcpy(hostname,"None");

        strcpy(sendBuf,hostname);

        strcat(sendBuf,"have connected to you!");

        err = send(sockClt,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);

 

        char recvBuf[1024]="";

        iLen = recv(sockClt,recvBuf,1024,0);

 

        if(iLen ==0)

            return -3;

        else if(iLen==SOCKET_ERROR){

            cout<<"recv() fail:"<<WSAGetLastError()<<endl;

            return -4;

        }

        else

        {

            recvBuf[iLen] = ‘‘;

            cout<<recvBuf<<endl;

        }

    closesocket(sockClt);

    

    WSACleanup();

    system("PAUSE");

    return 0;

}