Windows 上的网络通信编程
1. 关于 Servers 和 Clients
有两种不同类型的套接字网络应用程序：服务器和客户端。
服务器和客户端的行为不同；因此，创建它们的流程也是不一样的。以下是用于创建流式 TCP/IP 服务器和客户端的一般模型。
1.1 Server
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Initialize Winsock.
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Create a socket.
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Bind the socket.
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Listen on the socket for a client.
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Accept a connection from a client.
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Receive and send data.
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Disconnect.
1.2 Client
-
Initialize Winsock.
-
Create a socket.
-
Connect to the server.
-
Send and receive data.
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Disconnect.
2. Create a Basic Winsock Application
创建一个基本的 Winsock 应用需要基于以下条件：
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确保编译环境可以引用 SDK 的 include,Lib 和 Src 目录。
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确保编译环境可以链接到 Winsock 库文件（Ws2_32.lib）。可以通过 #pragma comment(lib, “ws2_32.lib”) 显式的链接。
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编程开始前，使用 Winsock API 要包含 Winsock2.h 头文件，它包含了常用的 Winsock 的函数，结构体和定义。Ws2tcpip.h 头文件包含 WinSock 2 协议特定附件文档中针对 TCP/IP 引入的定义，其中包括用于检索 IP 地址的较新的函数和结构。
#include Note: 如果需要使用 IP Helper APIs，需要包含 lphlpapi.h 头文件，但必须置于 Winsock2.h 头文件之后。 Winsock2.h 头文件内部包含了 Windows.h 中的核心元素，因此不需要再包含 Windows.h 头文件。如果需要包含 Windows.h 头文件，则需要定义宏 #define WIN32_LEAN_AND_MEAN。由于历史原因，Windows.h 标头默认包含 Windows Socket 1.1 的 Winsock.h 头文件。Winsock.h 头文件中的声明将与 Windows Socket 2.0 所需的Winsock2.h 头文件中的声明冲突。WIN32_LEAN_AND_MEAN 宏可防止 Winsock.h 包含在 Windows.h 头文件中。下面示例了一个说明这一点。
#ifndef WIN32_LEAN_AND_MEAN
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#endif
#include 3. Initializing Winsock
调用 Winsock 函数的所有进程（应用或者 DLLs）都必须先初始化 Windows Sockets DLL。
这也用于确认系统是否支持 Winsock。
3.1 初始化 Winsock
- 创建一个 WSADATA 对象，名为 wsaData。
WSADATA wsaData;
- 调用 WSAStartup 函数并检查其返回值。
int iResult;
// Initialize Winsock
iResult = WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData);
if (iResult != 0)
{
printf("WSAStartup failed: %d\n", iResult);
return 1;
}
调用 WSAStartup 函数以启用 WS2_32.dll。
WSADATA 结构体包含 Windows Sockets 的信息。WSAStartup 的 MAKEWORD（2，2） 参数在系统上发出对 Winsock 版本 2.2 的请求，并将传递的版本设置为调用方可以使用的最高版本的 Windows Sockets 支持。
4A. Winsock server application
4A.1 Create a Socket for Server
在初始化后，必须实例化 SOCKET 对象以供服务器使用。
4A.1.1 To create a socket for the server
- [getaddrinfo](getaddrinfo function (ws2tcpip.h) - Win32 apps | Microsoft Learn) 函数用于决定 [sockaddr](sockaddr - Win32 apps | Microsoft Learn) 结构体中的值：
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AF_INET 用于指定 IPv4 地址家族。
-
SOCK_STREAM 用于指定一个流 socket。
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IPPROTO_TCP 用于指定 TCP 协议。
-
AI_PASSIVE flag 表明调用方打算在调用 bind 函数时使用返回 socket 地址结构。当 AI_PASSOVE flag 置位，并传给 getaddrinfo 函数的 nodename 参数为 NULL 指针，对于 IPv4 地址，socket 地址结构的 IP 地址部分为 INADDR_ANY。 而 IPv6 地址，socket 地址结构的 IP 地址部分为 IN6ADDR_ANY_INIT。
-
27015 是与客户端将连接到的服务器关联的端口号。
// addrinfo 结构体被 getaddrinfo 函数使用。
#define DEFAULT_PORT "27015"
struct addrinfo *result = NULL, *ptr = NULL, hints;
ZeroMemory(&hints, sizeof (hints));
hints.ai_family = AF_INET;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
hints.ai_flags = AI_PASSIVE;
// Resolve the local address and port to be used by the server
iResult = getaddrinfo(NULL, DEFAULT_PORT, &hints, &result);
if (iResult != 0)
{
printf("getaddrinfo failed: %d\n", iResult);
WSACleanup();
return 1;
}
- 创建一个 SOCKET 对象，名为 ListenSocket，用于服务器监听客户端的连接。
SOCKET ListenSocket = INVALID_SOCKET;
- 调用 socket 函数，ListenSocket 变量用于接收函数返回值。对于这个服务器应用程序，采用 getaddrinfo 函数返回的第一个与 hints 参数设置相匹配的 IP 地址。
如果服务器应用程序希望监听 IPv6，则将 hints.ai_family = AF_INET6 即可。如果一个服务器希望同时监听 IPv4 和 IPv6，则必须创建两个监听 sockets。一个 IPv4，一个 IPv6，并且应用程序必须单独处理这两个 sockets 。
// Create a SOCKET for the server to listen for client connections
ListenSocket = socket(result->ai_family, result->ai_socktype, result->ai_protocol);
- 检查 socket，确保创建的 socket 有效。
if (ListenSocket == INVALID_SOCKET)
{
printf("Error at socket(): %ld\n", WSAGetLastError());
freeaddrinfo(result);
WSACleanup();
return 1;
}
4A.2 Binding a Socket
要使服务器接受客户端连接，它必须绑定到系统中的网络地址。客户端应用程序使用 IP 地址和端口连接到主机网络。
sockaddr 结构体保存着 address family, IP address 和 port number。
调用 bind 函数，传入已创建的 socket 和 从 getaddrinfo 函数返回的sockaddr 结构体。
// Setup the TCP listening socket
iResult = bind( ListenSocket, result->ai_addr, (int)result->ai_addrlen);
if (iResult == SOCKET_ERROR)
{
printf("bind failed with error: %d\n", WSAGetLastError());
freeaddrinfo(result);
closesocket(ListenSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
Note: 一旦 bind 函数被调用，getaddrinfo 函数返回的 address 信息将不再需要。调用 freeaddrinfo 函数释放 getaddrinfo 函数分配的内存空间。
freeaddrinfo(result);
4A.3 Listening on a Socket
将 socket 绑定到系统上的 IP 地址和端口后，服务器必须侦听该 IP 地址和端口以接收传入的连接请求。
调用 listen 函数，将创建的 socket 和 blacklog（要接受的挂起连接的队列的最大长度）值作为参数传递给 listen 函数。以下示例中，backlog 值设置为 SOMAXCONN。该值是一个特殊常量，指示 Winsock 提供程序为该 socket 允许队列中最大数量的挂起连接。检查常规错误的返回值。
if ( listen( ListenSocket, SOMAXCONN ) == SOCKET_ERROR )
{
printf( "Listen failed with error: %ld\n", WSAGetLastError() );
closesocket(ListenSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
4A.4 Accepting a Connection
socket 监听连接后，程序必须处理该 socket 上的连接请求。
4A.4.1 To accept a connection on a socket
- 创建一个临时的 SOCKET 对象，名为 ClientSocket，用于接收来自客户端的连接请求。
SOCKET clientSocket;
- 通常，服务器应用程序将设计为监听来自多个客户端的连接。对于高性能服务器，通常使用多个线程来处理多个客户端连接。
使用 Winsock 的几种不同的编程技术可用于监听多个客户端连接。一种编程技术是创建一个连续循环，该循环使用 listen 函数检查连接请求（请参阅 Listening on a Socket）。如果发生了一个连接请求，应用程序调用 accept, AcceptEx，或 WSAAccept 函数，并将工作传递给另一个线程来处理该请求。还有其他几种编程技术是可能的。
Note: 此示例非常简单，不使用多个线程。该示例还仅监听并仅接受单个连接。
ClientSocket = INVALID_SOCKET;
// Accept a client socket
ClientSocket = accept(ListenSocket, NULL, NULL);
if (ClientSocket == INVALID_SOCKET)
{
printf("accept failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(ListenSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
- 当接收到客户端连接，服务器应用程序通常会将接受的客户端 socket（上述示例代码中的 ClientSocket 变量）传递给工作线程或 I/O completion port，并继续接受其他连接。
还有许多其他编程技术可用于监听和接收多个连接。这些包括使用 select 或 WSAPoll 函数。微软 Windows 软件开发工具包 （SDK） 附带的 Advanced Winsock Samples 中演示了其中一些各种编程技术的示例。
Note: 在 Unix 系统上，服务器的一种常见编程技术是让应用程序监听连接。当连接被接收时，父进程将调用 fork 函数来创建新的子进程来处理客户端连接，并从父进程继承 socket。Windows 不支持此编程技术，因为不支持 fork 函数。此技术通常也不适用于高性能服务器，因为创建新进程所需的资源远远大于线程所需的资源。
4A.5 Receiving and Sending Data on the Server
以下示例使用 recv 和 send 函数接收来自客户端的请求和发送服务器端的响应。
#define DEFAULT_BUFLEN 512
char recvbuf[DEFAULT_BUFLEN];
int iResult, iSendResult;
int recvbuflen = DEFAULT_BUFLEN;
// Receive until the peer shuts down the connection
do {
iResult = recv(ClientSocket, recvbuf, recvbuflen, 0);
if (iResult > 0)
{
printf("Bytes received: %d\n", iResult);
// Echo the buffer back to the sender
iSendResult = send(ClientSocket, recvbuf, iResult, 0);
if (iSendResult == SOCKET_ERROR)
{
printf("send failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(ClientSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
printf("Bytes sent: %d\n", iSendResult);
}
else if (iResult == 0)
printf("Connection closing...\n");
else
{
printf("recv failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(ClientSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
} while (iResult > 0);
send 和 recv 函数都分别返回发送或接收的字节数的整数值，或返回错误。每个函数还采用相同的参数：active socket、char buffer、要发送或接收的字节数以及要使用的 flag。
4A.6 Disconnecting the Server
一旦服务器完成从客户端接收数据并将数据发送回客户端，服务器就会断开与客户端的连接并关闭 socket。
4A.6.1 To disconnect and shutdown a socket
- 当服务器完成向客户端发送数据时，可以调用 shutdown 函数，指定 SD_SEND 关闭 socket 的发送端。这允许客户端释放此 socket 的某些资源。服务器应用程序仍可以在该 socket 上接收数据。
// shutdown the send half of the connection since no more data will be sent
iResult = shutdown(ClientSocket, SD_SEND);
if (iResult == SOCKET_ERROR)
{
printf("shutdown failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(ClientSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
- 当客户端应用程序完成接收数据时，将调用 closesocket 函数关闭该 socket。
当客户端应用程序不再使用 Windows Sockets DLL，调用 WSACleanup 函数释放资源。
// cleanup
closesocket(ClientSocket);
WSACleanup();
return 0;
4-A.7 Complete Winsock Server Code
以下是 Winsock TCP/IP 服务器应用程序的完整源代码。
#undef UNICODE
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#include 4B. Winsock client application
4B.1 Creating a socket for the client
在初始化之后，必须实例化 SOCKET 对象以供客户端使用。
4B.1.1 To create a socket
- 声明一个 addrinfo 对象，包含一个 sockaddr 结构体并初始化这些值。对于这个应用，不指定 internet address family，因此 IPv6 或 IPv4 地址都可能被返回。协议为 TCP，socket type 为 stream socket。
struct addrinfo *result = NULL, *ptr = NULL, hints;
ZeroMemory(&hints, sizeof(hints);
hints.ai_family = AF_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hints.ai_protocol = IPPROTO_TCP;
- 调用 getaddrinfo 函数，在命令行上传递服务器名称的 IP 地址作为参数传给函数。服务器将 27015 作为默认端口用于客户端连接。getaddrinfo 函数返回一个整型并检查错误。
#define DEFAULT_PORT "27015"
// Resolve the server address and port
iResult = getaddrinfo(argv[1], DEFAULT_PORT, &hints, &result);
if (iResult != 0)
{
printf("getaddrinfo failed: %d\n", iResult);
WSACleanup();
return 1;
}
- 创建一个 SOCKET 对象，名为 ConnectSocket。
SOCKET ConnectSocket = INVALID_SOCKET;
- 调用 socket 函数，将返回值保存到 ConnectSocket 变量。对于该示例，采用 getaddrinfo 函数返回的第一个与 hints 参数设置相匹配的 IP 地址。因为 address family 值为 AF_UNSPEC，表示未指定，因此返回 IP 地址可能是 IPv6 或 IPv4。
如果客户端应用程序希望仅使用 IPv6 或 IPv4，则 hints 参数的 address family 需要设置为 AF_INET6 或 AF_INET。并检查返回值，确保 socket 是有效的。
// Attempt to connect to the first address returned by
// the call to getaddrinfo
ptr=result;
// Create a SOCKET for connecting to server
ConnectSocket = socket(ptr->ai_family, ptr->ai_socktype, ptr->ai_protocol);
if (ConnectSocket == INVALID_SOCKET)
{
printf("Error at socket(): %ld\n", WSAGetLastError());
freeaddrinfo(result);
WSACleanup();
return 1;
}
Note: hints.ai_family 设置为 AF_UNSPEC 可能会导致连接调用失败。如果发生了，则使用 IPv4(AF_INET) 或 IPv6(AF_INET6) 代替。
4B.2 Connecting to a Socket
客户端需要在网络中通信，它必须要连接到服务器。
4B.2.1 To connect to a socket
调用 connect 函数，将创建的 socket 和 sockaddr 结构体作为参数传递给函数。并检查错误。
// Connect to server.
iResult = connect( ConnectSocket, ptr->ai_addr, (int)ptr->ai_addrlen);
if (iResult == SOCKET_ERROR)
{
closesocket(ConnectSocket);
ConnectSocket = INVALID_SOCKET;
}
// Should really try the next address returned by getaddrinfo
// if the connect call failed
// But for this simple example we just free the resources
// returned by getaddrinfo and print an error message
freeaddrinfo(result);
if (ConnectSocket == INVALID_SOCKET)
{
printf("Unable to connect to server!\n");
WSACleanup();
return 1;
}
Note: 如果 connect 函数调用失败，则尝试使用 addrinfo 结构体列表的下一个。
sockaddr 结构体包括：
-
客户端想要连接的服务器的 IP 地址。
-
客户端想要连接的服务器的端口号。
4B.3 Sending and Receiving Data on the Client
客户端一旦与服务器建立连接后，使用 send 和 recv 函数发送消息给服务器和接收来自服务器端的响应。
#define DEFAULT_BUFLEN 512
int recvbuflen = DEFAULT_BUFLEN;
const char *sendbuf = "this is a test";
char recvbuf[DEFAULT_BUFLEN];
int iResult;
// Send an initial buffer
iResult = send(ConnectSocket, sendbuf, (int) strlen(sendbuf), 0);
if (iResult == SOCKET_ERROR)
{
printf("send failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(ConnectSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
printf("Bytes Sent: %ld\n", iResult);
// shutdown the connection for sending since no more data will be sent
// the client can still use the ConnectSocket for receiving data
iResult = shutdown(ConnectSocket, SD_SEND);
if (iResult == SOCKET_ERROR)
{
printf("shutdown failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(ConnectSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
// Receive data until the server closes the connection
do {
iResult = recv(ConnectSocket, recvbuf, recvbuflen, 0);
if (iResult > 0)
printf("Bytes received: %d\n", iResult);
else if (iResult == 0)
printf("Connection closed\n");
else
printf("recv failed: %d\n", WSAGetLastError());
} while (iResult > 0);
4B.4 Disconnecting the Client
一旦客户端完成了发送和接收数据，客户端断开与服务器连接并关闭 socket。
4B.4.1 To disconnect and shutdown a socket
- 当客户端完成发送数据给服务器后，调用 shutdown 函数传入 SD_SEND 参数关闭客户端的发送功能。这将允许服务器释放这个 socket 的一些资源。客户端程序仍可以在该 socket 上接收数据。
// shutdown the send half of the connection since no more data will be sent
iResult = shutdown(ConnectSocket, SD_SEND);
if (iResult == SOCKET_ERROR)
{
printf("shutdown failed: %d\n", WSAGetLastError());
closesocket(ConnectSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
- 当客户端应用程序完成了接收数据，则调用 closesocket 函数关闭 socket。
当客户端应用程序完成了 Windows Sockets DLL 的调用，则调用 WSACleanup 函数释放资源。
// cleanup
closesocket(ConnectSocket);
WSACleanup();
return 0;
4B.5 Complete Client Source Code
以下是 Winsock TCP/IP 客户端应用程序的完整源代码。
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#include