转载:http://blog.csdn.net/msgsnd/article/details/2153768
相信各位读者现在对於 Winsock 的定义、系统环境,以及一些 Winsock Stack及 Winsock 应用程式,都有基本的认识了。接下来笔者希望能分几期为各位读者介绍一下简单的 Winsock 网路应用程式设计。我们将以 Winsock 1.1 规格所定义的 46 个应用程式介面(API)为基础,逐步来建立一对 TCP socket 主从架构(Client / Server)的程式。
在这两个程式中,Server 将使用Winsock 提供的「非同步」(asynchronous)函式来建立 socket 连结、关闭、及资料收送等等;而 Client 则采类似传统 UNIX的「阻拦式」(blocking)。由於我们的重点并不在於 MS Windows SDK 的程式设计,所以我们将使用最简便的方式来显示讯息;有关 MS Windows 程式的技巧,请各位读者自行研究相关的书籍及文章。
今天我们先要看一下主从架构 TCP socket 的建立连结(connect)及关闭(close)。以前笔者曾简单地介绍过主从架构的概念,现在我们再以生活上更浅显的例子来说明一下,读者稍後也较容易能明白笔者的叙述。我们可以假设 Server 就像是电信局所提供的一些服务,比如「104 查号台」或「112 障碍台」。
(1)电信局先建立好了一个电话总机,这就像是呼叫 socket() 函式开启了一个 socket。
(2)接著电信局将这个总机的号码定为 104,就如同我们呼叫 bind() 函式,将 Server 的这个 socket 指定(bind)在某一个 port。当然电信局必须让用户知道这个号码;而我们的 Client 程式同样也要知道 Server 所用的 port,待会才有办法与之连接。
(3)电信局的 104 查号台底下会有一些自动服务的分机,但是它的数量是有限的,所以有时你会拨不通这个号码(忙线)。同样地,我们在建立一个 TCP 的Server socket 时,也会呼叫 listen() 函式来监听等待;listen() 的第二个参数即是 waiting queue 的数目,通常数值是由 1 到 5。(事实上这两者还是有点不一样。)
(4)用户知道了电信局的这个 104 查号服务,他就可以利用某个电话来拨号连接这个服务了。这就是我们 Client 程式开启一个相同的 TCP socket,然後呼叫 connect() 函式去连接 Server 指定的那个 port。当然了,和电话一样,如果 waiting queue满了、与 Server 间线路不通、或是 Server 没提供此项服务时,你的连接就会失败。
(5)电信局查号台的总机接受了这通查询的电话後,它会转到另一个分机做服务,而总机本身则再回到等待的状态。Server的 listening socket 亦是一样,当你呼叫了 accept() 函式之後,Server 端的系统会建立一个新的 socket 来对此连接做服务,而原先的 socket 则再回到监听等待的状态。
(6)当你查询完毕了,你就可以挂上电话,彼此间也就离线了。Client和Server间的 socket 关闭亦是如此;不过这个关闭离线的动作,可由 Client 端或Server 端任一方先关闭。有些电话查询系统不也是如此吗?
接下来,我们就来看主从架构的 TCP socket 是如何利用这些 Winsock 函式来达成的;并利用资策会资讯技术处的「WinKing」这个 Winsock Stack 中某项功能来显示 sockets 状态的变化。文章中仅列出程式的片段,完整的程式请看附录的程式。
首先我们先看 Server 端如何建立一个 TCP socket,并使其进入监听等待的状态。在图 1. 上,我们可以看到最先被呼叫到的是WSAStartup() 函式。
格 式: int PASCAL FAR WSAStartup( WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData );
参 数: wVersionRequested 欲使用的 Windows Sockets API 版本
lpWSAData 指向 WSADATA 资料的指标
传回值: 成功 – 0
失败 - WSASYSNOTREADY / WSAVERNOTSUPPORTED / WSAEINVAL
说明: 此函式「必须」是应用程式呼叫到 Windows Sockets DLL 函式中的第一个,也唯有此函式呼叫成功後,才可以再呼叫其他Windows Sockets DLL 的函式。此函式亦让使用者可以指定要使用的 Windows Sockets API 版本,及获取设计者的一些资讯。程式中我们要用 Winsock 1.1,所以我们在程式中有一段为:
WSAStartup((WORD)((1<<8)|1),(LPWSADATA) &WSAData)
其中 ((WORD)((1<<8)|1) 表示我们要用的是 Winsock 「1.1」版本,而WSAData 则是用来储存由系统传回的一些有关此一 Winsock Stack 的资料。
再来我们呼叫 socket() 函式来开启 Server 端的 TCP socket。 socket():建立Socket。
格 式: SOCKET PASCAL FAR socket( int af, int type, int protocol );
参 数: af 目前只提供 PF_INET(AF_INET)
type Socket 的型态 (SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM)
protocol 通讯协定(如果使用者不指定则设为0)
传回值: 成功 - Socket 的识别码
失败 - INVALID_SOCKET(呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)
说明: 此函式用来建立一 Socket,并为此 Socket 建立其所使用的资源。Socket 的型态可为 Stream Socket 或 Datagram Socket。我们要建立的是 TCP socket,所以程式中我们的第二个参数为SOCK_STREAM,我们并将开启的这个 socket 号码记在listen_sd 这个变数。
listen_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)
接下来我们要指定一个位址及 port 给 Server 的这个 socket,这样 Client 才知道待会要连接哪一个位址的哪个 port;所以我们呼叫 bind() 函式。
bind():指定 Socket 的 Local 位址 (Address)。
格式:
int PASCAL FAR bind( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name,int namelen );
参数:
s: Socket的识别码
name: Socket的位址值
namelen: name的长度
传回值: 成功 – 0
失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)
说明: 此一函式是指定 Local 位址及 Port 给某一未定名之 Socket。使用者若不在意位址或 Port 的值,那麽他可以设定位址为INADDR_ANY,及 Port 为 0;那麽Windows Sockets 会自动将其设定适当之位址及 Port (1024 到 5000之间的值),使用者可以在此 Socket 真正连接完成後,呼叫 getsockname() 来获知其被设定的值。bind() 函式要指定位址及 port,这个位址必须是执行这个程式所在机器的 IP位址,所以如果读者在设计程式时可以将位址设定为 INADDR_ANY,这样Winsock 系统会自动将机器正确的位址填入。如果您要让程式只能在某台机器上执行的话,那麽就将位址设定为该台机器的 IP 位址。由於此端是 Server 端,所以我们一定要指定一个 port 号码给这个 socket。读者必须注意一点,TCP socket 一旦选定了一个位址及 port 後,就无法再呼叫另一次 bind 来任意更改它的位址或 port。在程式中我们将 Server 端的 port 指定为 7016,位址则由系统来设定。
struct sockaddr_in sa; sa.sin_family = PF_INET; sa.sin_port = htons(7016); //port number sa.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//address bind(listen_sd, (struct sockaddr far *)&sa, sizeof(sa))
我们在指定 port 号码时会用到 htons() 这个函式,主要是因为各机器的数值读取方式不同(PC与UNIX系统即不相同),所以我们利用这个函式来将 host order 的排列方式转换成 network order 的排列方式;相同地,我们也可以呼叫ntohs() 这个相对的函式将其还原。
host order各机器不同,但network order都相同;htons是针对short数值,对於long数值则用hotnl及ntohl。
listen
指定完位址及 port 之後,我们呼叫 listen() 函式,让这个 socket 进入监听状态。一个 Server 端的 TCP socket 必须在做完了 listen 的呼叫後,才能接受 Client 端的连接。
格式:
int PASCAL FAR listen( SOCKET s, int backlog );
参数:
s: Socket 的识别码
backlog: 未真正完成连接前(尚未呼叫 accept 前)彼端的连接要求的最大个数
传回值:
成功 – 0
失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)
说明: 使用者可利用此函式来设定 Socket 进入监听状态,并设定最多可有多少个在未真正完成连接前的彼端的连接要求。(目前最大值限制为 5, 最小值为1)程式中我们将 backlog 设为 1 。
listen(listen_sd, 1)
呼叫完 listen 後,此时 Client 端如果来连接的话,Client 端的连接动作(connect)会成功,不过此时 Server 端必须再呼叫accept() 函式,才算正式完成Server 端的连接动作。但是我们什麽时候可以知道 Client 端来连接,而适时地呼叫 accept 呢?在这里我们就要利用 WSAAsyncSelect 函式,将Server 端的这个 socket 转变成 Asynchronous 模式,让系统主动来通知我们有Client 要连接了。
格式:
int PASCAL FAR WSAAsyncSelect( SOCKET s, HWND hWnd, unsigned int wMsg, long lEvent );
参数:
s: Socket 的编号
hWnd: 动作完成後,接受讯息的视窗 handle
wMsg: 传回视窗的讯息
lEvent: 应用程式有兴趣的网路事件
传回值:
成功 – 0
失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)
说明:此函式是让使用者用来要求 Windows Sockets DLL 在侦测到某一 Socket有网路事件时送讯息到使用者指定的视窗;网路事件是由参数 lEvent 设定。呼叫此函式会主动将该 Socket 设定为 Non-blocking 模式。lEvent 的值可为以下之「OR」组合:(参见 WINSOCK第1.1版88、89页) FD_READ、FD_WRITE、FD_OOB、FD_ACCEPT、FD_CONNECT、FD_CLOSE 使用者若是针对某一Socket再次呼叫此函式时,会取消对该 Socket 原先之设定。若要取消对该Socket 的所有设定,则 lEvent 的值必须设为 0。我们在程式中要求 Winsock 系统知道 Client 要来连接时,送一个ASYNC_EVENT 的讯息到程式中 hwnd 这个视窗;由於我们想知道的只有accept事件,所以我们只设定 FD_ACCEPT。
WSAAsyncSelect(listen_sd, hwnd, ASYNC_EVENT, FD_ACCEPT)
读者必须注意一点,WSAAsyncSelect 的设定是针对「某一个 socket」;也就是说,只有当您设定的这个 socket (listen_sd)的那些事件(FD_ACCEPT)发生时,您才会收到这个讯息(ASYNC_EVENT)。如果您开启了很多 sockets,而要让每个 socket 都变成asynchronous 模式的话,那麽就必须对「每一个 socket」都呼叫 WSAAsyncSelect 来一一设定。而如果您想将某一个 socket 的async 事件通知设定取消的话,那麽同样也是用 WSAAsyncSelect 这个函式;且第四个参数lEvent 一定要设为 0。
WSAAsyncSelect( s, hWnd, 0, 0 ) -- 取消所有 async 事件设定
呼叫 WSAAsyncSelect 的同时也将此socket改变成「非阻拦」(non-blocking)模式。但是此时这个 socket 不能很简单地用ioctlsocket() 这个函式就将它再变回「阻拦」(blocking)模式。也就是说WSAAsyncSelect 和 ioctlsocket 所改变的「非阻拦」模式仍是有些不同的。如果您想将一个「非同步」(asynchronous)模式的 socket 再变回「阻拦」模式的话,必须先呼叫 WSAAsyncSelect() 将所有的 async 事件取消,再用 ioctlsocket() 将它变回阻拦模式。
ioctlsocket():控制 Socket 的模式。
格 式: int PASCAL FAR ioctlsocket( SOCKET s, long cmd, u_long FAR * argP );
参 数: s Socket 的识别码
cmd 指令名称
argP 指向 cmd 参数的指标
传回值: 成功 – 0
失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)
说明: 此函式用来获取或设定 Socket 的运作参数。其所提供的指令有:(参见WINSOCK 第 1.1 版 35、36 页) cmd 的值可为:
FIONBIO -- 开关 non-blocking 模式//允许或禁止套接字的非阻塞模式,允许为非0,禁止为0
FIONREAD -- 自Socket一次可读取的资料量(目前 in buffer 的资料量//确定套接字自动读入的数据量
SIOCATMARK -- OOB 资料是否已被读取完//确定是否所有带外数据都已被读入
由於我们 Server 端的 socket 是用非同步模式,且设定了 FD_ACCEPT 事件,所以当 Client 端和我们连接时,Winsock Stack 会主动通知我们;我们再先来看看Client 端要如何和 Server 端建立连接?
Client 首先也是呼叫 WSAStartup() 函式来与 Winsock Stack 建立关系;然後同样呼叫 socket() 来建立一个 TCP socket。(读者此时一定要用 TCP socket 来连接Server 端的 TCP socket,而不能用 UDP socket 来连接;因为相同协定的 sockets 才能相通,TCP 对 TCP,UDP 对 UDP)和 Server 端的 socket 不同的地方是:Client 端的 socket 可以呼叫 bind()函式,由自己来指定 IP 位址及 port 号码;但是也可以不呼叫 bind(),而由 Winsock Stack来自动设定 IP 位址及 port 号码(此一动作在呼叫connect() 函式时会由 Winsock 系统来完成)。通常我们是不呼叫 bind(),而由系统设定的,稍後可呼叫getsockname() 函式来检查系统帮我们设定了什麽 IP 及 port。一般言,系统会自动帮我们设定的 port 号码是在 1024 到 5000 之间;而如果读者要自己用 bind设定 port的话,最好是 5000 以上的号码。
connect():要求连接某一 TCP Socket 到指定的对方。
格 式: int PASCAL FAR connect( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name, int namelen );
参 数: s Socket 的识别码
name 此 Socket 想要连接的对方位址
namelen name的长度
传回值: 成功 – 0
失败 - SOCKET_ERROR (呼叫WSAGetLastError()可得知原因)
说明: 此函式用来向对方要求建立连接。若是指定的对方位址为 0 的话,会传回错误值。当连接建立完成後,使用者即可利用此一 Socket 来做传送或接收资料之用了。
我们的例子中, Client 是要连接的是自己机器上 Server 所监听的 7016 这个port,所以我们有以下的程式片段。(假设我们机器的 IP 存在my_host_ip)
struct sockaddr_in sa; /* 变数宣告 */ sa.sin_family = PF_INET; /* 设定所要连接的 Server 端资料 */ sa.sin_port = htons(7016); sa.sin_addr.s_addr = htonl(my_host_ip); connect(mysd, (struct sockaddr far *)&sa, sizeof(sa)) /* 建立连接 */
由於我们 Server 端的 socket 是设定为「非同步模式」,且是针对 FD_ACCEPT这个事件,所以当 Client 来连接时,我们Server 端的 hwnd 这个视窗会收到Winsock Stack 送来的一个 ASYNC_EVENT 的讯息。(参见前面 WSAAsyncSelect 的设定)这时,我们应该:
先利用 WSAGETSELECTERROR(lParam) 来检查是否有错误;
并由 WSAGETSELECTEVENT(lParam) 得知是什麽事件发生(因为WSAAsyncSelect 函式可针对同一个 socket 同时设定很多事件,但是只用一个讯息来代表)(此处当然是 FD_ACCEPT 事件);
然後再呼叫相关的函式来处理此一事件。所以我们呼叫 accept() 函式来建立 Server 端的连接。
accept():接受某一 Socket 的连接要求,以完成 Stream Socket 的连接。
格 式: SOCKET PASCAL FAR accept( SCOKET s, struct sockaddr FAR *addr, int FAR *addrlen );
参 数: s Socket的识别码
addr 存放来连接的彼端的位址
addrlen addr的长度
传回值:成功 - 新的Socket识别码
失败 - INVALID_SOCKET (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)
说明: Server 端之应用程式呼叫此一函式来接受 Client 端要求之 Socket 连接动作;如果Server 端之 Socket 是为 Blocking模式,且没有人要求连接动作,那麽此一函式会被 Block 住;如果为 Non-Blocking 模式,此函式会马上回覆错误。accept()函式的答覆值为一新的 Socket,此新建之 Socket 不可再用来接受其它的连接要求;但是原先监听之 Socket 仍可接受其他人的连接要求。
TCP socket 的 Server 端在呼叫 accept() 後,会传回一个新的 socket 号码;而这个新的 socket 号码才是真正与 Client端相通的 socket。比如说,我们用socket() 建立了一个 TCP socket,而此 socket 的号码(系统给的)为 1,然後我们呼叫的bind()、listen()、accept() 都是针对此一 socket;当我们在呼叫 accept()後,传回值是另一个 socket 号码(也是系统给的),比如说 3;那麽真正与 Client 端连接的是号码 3 这个 socket,我们收送资料也都是要利用 socket 3,而不是 socket 1;读者不可搞错。我们在程式中对 accept() 的呼叫如下;我们并可由第二个参数的传回值,得知究竟是哪一个 IP 位址及 port号码的 Client 与我们 Server 连接。
struct sockaddr_in sa; int sa_len = sizeof(sa); my_sd = accept(listen_sd, (struct sockaddr far *)&sa, &sa_len)
当 Server 端呼叫完 accept() 後,主从架构的 TCP socket 连接才算真正建立完毕; Server 及 Client 端也就可以分别利用此一 socket 来送资料到对方或收对方送来的资料了。
最後我们来看一下如何结束 socket 的连接。socket 的关闭很简单,而且可由Server 或 Client 的任一端先启动,只要呼叫closesocket() 就可以了。而要关闭监听状态的 socket,同样也是利用此一函式。
closesocket():关闭某一Socket。
格 式: int PASCAL FAR closesocket( SOCKET s );
参 数: s Socket 的识别码
传回值: 成功 – 0
失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)
说明: 此一函式是用来关闭某一 Socket。
若是使用者原先对要关闭之 Socket 设定 SO_DONTLINGER,则在呼叫此一函式後,会马上回覆,但是此一 Sokcet 尚未传送完毕的资料会继续送完後才关闭。
若是使用者原先设定此 Socket 为 SO_LINGER,则有两种情况:
(a) Timeout 设为 0 的话,此一 Socket 马上重新设定 (reset),未传完或未收到的资料全部遗失。
(b) Timeout 不为 0 的话,则会将资料送完,或是等到 Timeout 发生後才真正关闭。
程式结束前,读者们可千万别忘了要呼叫 WSACleanup() 来通知 WinsockStack;如果您不呼叫此一函式,Winsock Stack 中有些资源可能仍会被您占用而无法清除释放哟。
WSACleanup():结束 Windows Sockets DLL 的使用。
格 式: int PASCAL FAR WSACleanup( void );
参 数: 无
传回值: 成功 – 0
失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)
说明: 应用程式在使用 Windows Sockets DLL 时必须先呼叫WSAStartup() 来向 Windows Sockets DLL 注册;当应用程式不再需要使用Windows Sockets DLL 时,须呼叫此一函式来注销使用,以便释放其占用的资源。
这期笔者先介绍主从架构 TCP sockets 的连接及关闭,以後会再陆续介绍如何收送资料,以及其他 API 的使用。想要进一步了解如何撰写 Winsock 程式的读者,可以好好研究一下笔者 demoserv 及 democlnt 这两个程式;也许不是写的很好,但是希望可以带给不懂 Winsock 程式设计的人一个起步。读者们亦可自行用 anonymous ftp 方式到 SEEDNET 台北主机 tpts1.seed.net. tw(139.175.1.10)的 UPLOAD / WINKING 目录下,取得笔者与陈建伶小姐所设计的WinKing 这个 Winsock Stack 的试用版,来跑demoserv 与 democlnt 这两个程式及其他许许多多的 Winsock 应用程式。(正式版本请洽 SEEDNET 服务中心,新版的WinKing 已含 Windows 拨接及 PPP 程式,适合电话拨接用户在 Windows 环境下用 SEEDNET;WinKing 同样也提供 Ethernet 环境的使用。)