【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:

【vc】14_网络编程_socket编程_第1张图片

  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

【vc】14_网络编程_socket编程_第2张图片

    ·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;

【vc】14_网络编程_socket编程_第3张图片

(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

【vc】14_网络编程_socket编程_第4张图片

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+1];
  char                  szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+1];
  unsigned short        iMaxSockets;
  unsigned short        iMaxUdpDg;
  char FAR *            lpVendorInfo;
} WSADATA, *LPWSADATA; 
View Code

    ·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[14];
};  

    ·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[8];};      //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_addrinet_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;
);
View Code

    ·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)htonshtonl 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( 1, 1 );  //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 != 0 ) {
        return;
    }
    
    if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 ) {    
        WSACleanup( );
        return; 
    }
    //①创建用于监听的套接字
    SOCKET sockSrv = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    SOCKADDR_IN addrSrv;
    addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
    addrSrv.sin_family = AF_INET;
    addrSrv.sin_port = htons(6000);
    
    bind(sockSrv, (sockaddr*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR) );    //②绑定套接字
    
    listen(sockSrv, 5);    //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(1)
    {
        SOCKET sockConn = accept(sockSrv, (SOCKADDR*)&addrClient, &len);    //④等待客户请求到来
        char sendBuf[100];
        sprintf(sendBuf, "welcome %s to http://www.cnblog.com.aze-003", inet_ntoa(addrClient.sin_addr));
        
        send( sockConn, sendBuf, strlen(sendBuf)+1, 0);    //发送数据 注意:“+1”:表示增加1个“\0”结尾标志;
        
        char recvBuf[100];
        recv( sockConn, recvBuf, 100, 0);    //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( 1, 1 );
    
    err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );
    
    if ( err != 0 ) {
        return;
    }
    
    if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 ) {    
        WSACleanup( );
        return; 
    }
    //①创建套接字
    SOCKET sockClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    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(6000);
    
    //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[100];
    recv(sockClient, recvBuf, 100, 0);    //接收数据
    printf("%s\n", recvBuf);
    
    send(sockClient, "this is lisi", strlen("this is lisi")+1, 0);    //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( 1, 1 );
    
    err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );
    
    if ( err != 0 ) {
        return;
    }
    
    if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 ) {    
        WSACleanup( );
        return; 
    }
    //①创建套接字
    SOCKET sockSrv = socket( AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    SOCKADDR_IN addrSrv;
    addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(ADDR_ANY);
    addrSrv.sin_family = AF_INET;
    addrSrv.sin_port = htons(6000);
    //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[100];
    recvfrom(sockSrv, recvBuf, 100, 0, (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( 1, 1 );
    
    err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );
    
    if ( err != 0 ) {
        return;
    }
    
    if ( LOBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 ||
        HIBYTE( wsaData.wVersion ) != 1 ) {    
        WSACleanup( );
        return; 
    }
    //创建套接字
    SOCKET sockClient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    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(6000);
    //发送数据
    sendto(sockClient, "hello!", strlen("hello!")+1, 0, (SOCKADDR*)&sockSrv, sizeof(SOCKADDR));
    //关闭套接字
    closesocket(sockClient);
    WSACleanup();

}
UDP_Client.cpp

 

2014-08-14  

23:56:21

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