C++11实现计算机网络中的TCP/IP连接（Windows端）

引言

TCP/IP 指传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol / Internet Protocol）。^[1]
在TCP/IP协议簇中主要包含以下内容：

• TCP (传输控制协议) - 应用程序之间通信
• UDP (用户数据报协议) - 应用程序之间的简单通信
• IP (网际协议) - 计算机之间的通信
• ICMP (因特网消息控制协议) - 针对错误和状态
• DHCP (动态主机配置协议) - 针对动态寻址

TCP/IP 定义了电子设备（比如计算机）如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。

1、TCP

TCP 用于应用程序之间的通信。
TCP使用固定的连接，会建立一个全双工的通信。
会占用两个计算机之间通信线路，直到被一方或者双方关闭。

2、IP

IP是计算机之间的通信。
IP是无连接的通信协议，不会占用两个正在通信计算机之间的通信线路。
因此IP降低对网络线路的需求，每条线可以同时满足不同计算机之间的通信需要。

2.1 IP路由器

IP包从一台计算机被发送，它会到达一个IP路由器。

IP路由器会路由这个IP包到它的目的地，直接地或者通过其它路由器。
相同通信，一个包经过的路径可能和其它包不同，而路由器会根据通信量、网络中错误或其它参数进行正确寻址。

3、TCP/IP

TCP/IP是不同通信协议的大集合。^[1]
TCP（应用程序与应用程序之间建立的全双工通信协议），IP（计算机与计算机之间建立的通信协议）。

• TCP负责将数据分割装入IP包，然后在到达的时候重新组合它们。
• IP则在中间负责将包发送至接受者。

如下图表示：

IP地址：计算机的“门牌”号，有了IP地址才可以接入因特网。IP包就像快递，得知道IP地址才能发送到对应的计算机。
TCP/IP使用4组数字为计算机编址，每个计算机有唯一的4组数字地址。每组数字必须在0~255之间，并用点号分割开，这里使用的是ipv4协议。

为什么TCP/IP每个地址是使用0~255之间数字？
因为规定TCP/IP协议使用32个bit编址，在计算机中 8bit=1byte=1B，所以使用四个字节来编址。
然后8bit = 8 位，因此每组地址的范围就是
0000 0000 ~ 1111 1111，范围是0 ~ 2^8 - 1，也就是0 ~ 255。

TCP/IP简化了OSI的七层模型为四层模型。

• 优化结构。
• 每层独立但又因为上层协议使用下层协议服务，之间又存在联系。
  

4、TCP/IP协议C++11实现

Linux下网络编程主要分为四个步骤^[2]。

• 1、调用 socket 函数创建套接字。
• 2 、调用 bind 函数分配IP地址和端口号。
• 3、调用 listen 函数转换为可接受请求状态。
• 4、调用 accept 函数受理套接字请求。

套接字是通信中两个网路应用程序进行通信时，各自连接中的端点^[3]。是通信的基石。
套接字socket表示方法是（ip地址:端口号）或(ip地址,端口号)。每一个传输层连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。例如：如果IP地址是210.37.145.1，而端口号是23，那么得到套接字就是(210.37.145.1:23)^[4]

上面引用[2]里描述的整个流程是这样的，比喻为打电话。
首先需要安装电话机，因此使用套接字socket，然后分配端口号，也就是电话号码，使用bind函数给创建号的套接字分配ip地址和端口信息。有了电话和电话号码之后，需要架设电话线，使用listen函数让这台电话可用，这时其他人可以打电话到这台电话机，电话机响的时候需要接听，最后使用accept函数来保持监听。

那么我们就简单来实现一个hello world在windows下的传输。

首先我们需要建立一个服务端项目，它能够在收到信息时进行回传hello world。

• 服务端的职能：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。
• 客户端职能：建立socket套接字，通过ip地址和端口号确定目标服务器。使用connect连接服务器，使用send函数发送消息，等待服务器处理，通信完成后调用closeSocket关闭socket。

参考这位朋友的博客^[5]实现了基本的服务端架设，服务端代码和注释转载于（初学者的福音）windows下实现socket通信(TCP/IP)代码详解——服务端篇。

/*****************************************************************************************************************************
*	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；
*	4、请求到来之后，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());
*****************************************************************************************************************************/
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include
#include
using namespace std;
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

int main()
{
	//初始化WSA
	WORD sockVersion = MAKEWORD(2, 2);
	WSADATA wsaData;//WSADATA结构体变量的地址值

	//int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);
	//成功时会返回0，失败时返回非零的错误代码值
	if (WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)
	{
		cout << "WSAStartup() error!" << endl;
		return 0;
	}

	//创建套接字
	SOCKET slisten = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
	if (slisten == INVALID_SOCKET)
	{
		cout << "socket error !" << endl;
		return 0;
	}

	//绑定IP和端口
	sockaddr_in sin;//ipv4的指定方法是使用struct sockaddr_in类型的变量
	sin.sin_family = AF_INET;
	sin.sin_port = htons(8888);//设置端口。htons将主机的unsigned short int转换为网络字节顺序
	sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;//IP地址设置成INADDR_ANY，让系统自动获取本机的IP地址
	//bind函数把一个地址族中的特定地址赋给scket。
	if (bind(slisten, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("bind error !");
	}

	//开始监听
	if (listen(slisten, 5) == SOCKET_ERROR)
	{
		cout << "listen error !" << endl;
		return -1;
	}

	//循环接收数据
	SOCKET sclient;
	sockaddr_in remoteAddr;//sockaddr_in常用于socket定义和赋值,sockaddr用于函数参数
	int nAddrlen = sizeof(remoteAddr);
	char revData[255];
	while (true)
	{
		cout << "等待连接。。。" << endl;
		sclient = accept(slisten, (sockaddr*)&remoteAddr, &nAddrlen);
		if (sclient == INVALID_SOCKET)
		{
			cout << "accept error !" << endl;
			continue;
		}
		cout << "接收到一个连接：" << inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr) << endl;
		//接收数据
		int ret = recv(sclient, revData, 255, 0);
		if (ret > 0)
		{
			revData[ret] = 0x00;
			cout << revData << endl;
		}
		//发送数据
		const char* sendData = "你好，TCP客户端！\n";
		send(sclient, sendData, strlen(sendData), 0);
		closesocket(sclient);
	}
	closesocket(slisten);
	WSACleanup();
	system("pause");
	//return 0;
}

客户端实现，客户端代码来源于windows环境下用c++实现socket编程：

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


int main()
{
	WORD sockVersion = MAKEWORD(2, 2);
	WSADATA data;
	if (WSAStartup(sockVersion, &data) != 0)
	{
		return 0;
	}
	while (true) {
		SOCKET sclient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
		if (sclient == INVALID_SOCKET)
		{
			printf("invalid socket!");
			return 0;
		}

		sockaddr_in serAddr;
		serAddr.sin_family = AF_INET;
		serAddr.sin_port = htons(8888);
		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 
			printf("connect error !");
			closesocket(sclient);
			return 0;
		}

		string data;
		cin >> data;
		const char* sendData;
		sendData = data.c_str();   //string转const char* 
		//char * sendData = "你好，TCP服务端，我是客户端\n";
		send(sclient, sendData, strlen(sendData), 0);
		//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 

		char recData[255];
		int ret = recv(sclient, recData, 255, 0);
		if (ret > 0) {
			recData[ret] = 0x00;
			printf(recData);
		}
		closesocket(sclient);
	}


	WSACleanup();
	return 0;

}

先运行服务端，再运行客户端，然后输入内容，便可以通过TCP/IP传输。

最终结果：

后续解析待更新。。。

参考文献

[4] 潘伟编著,计算机网络 理论与实验,厦门大学出版社,2013.12,第145页