socket通信之二：实现一个基本的客户/服务器模型

前一篇介绍了TCP/IP协议族和socket的一些基本的知识，这篇文章介绍在windows下如何实现一个使用socket通信的客户和服务器模型。首先还是将基本的流程回顾一下，任何复杂的模型都是从这个基本的模型中衍生出来的，然后介绍一下在windows平台下相关的api。

服务器端编程的步骤：

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(listen())；
4. 请求到来后，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，等待另一连接请求；
7. 关闭套接字，关闭加载的套接字库(closesocket()/WSACleanup())。

客户端编程的步骤：

1. 加载套接字库，创建套接字(WSAStartup()/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，关闭加载的套接字库(closesocket()/WSACleanup())。

可以发现上面的步骤和前一篇文章相比多出了一个WSAStart()函数和WSACleanup()函数，这个函数是在windows平台下使用socket时必须的，即在调用socket相关的函数之前先需要调用WSAStart()，socket相关的函数处理完成之后需要调用WSACleanup()。我们只需要将它放在代码开始的地方和结束的地方就可以了。

下面介绍一些相关的函数：

1.WinSock DLL

1.1 初始化WinSock DLL

int WSAStartup(

WORD wVersionRequested,              //调用者能使用的Windows Socket支持的最高版本。高位指定副版本，低位指定主版本号

LPWSADATA lpWSAData                   //指向WSADATA的指针，用于接收Windows Socket的实现细节

);

//该函数在一个进程中初始化WS2_32.dll的使用

1.2 释放WinSock DLL资源

int WSACleanup(void);

2 socket相关的函数

2.1 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。

创建socket的时候，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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
   

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。

2.2  bind()函数

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 */
};
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。

2.3 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。

2.4 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。

2.5 send()，recv()函数

int send(
SOCKET s,                  //标识一个已经建立连接套接字的描述符
const char*buf,         //包含待传输数据的缓冲区
int len,                       //buf中数据的长度
int flags                    
);
//send函数在一个已建立连接的套接字上发送数据


int recv(
SOCKET s,                    //标识一个已建立连接套接字的描述符
char*buf,                  //接收传来的数据的缓冲区   
int len,                    //缓冲区长度
int flags
);

3.基本socket模型例子

下面是一个简单的例子：

对于客户端和服务器端的每一个步骤对应的代码都加上了注释，可以对照着上面的图看。比如下面服务器端的7个步骤都加上了注释来描述。相关的函数可以看上面的说明。

服务端程序：

 #include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#include <iostream>

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


using namespace std;

#define  PORT 6000 //表示服务器端绑定的端口号
//#define  IP_ADDRESS "10.11.163.113"  //表示服务器端的地址
#define  IP_ADDRESS "127.0.0.1"  //直接使用本机地址

int main()
{

    WSADATA wsaData;
    int err;

    //1.加载套接字库
    err=WSAStartup(MAKEWORD(1,1),&wsaData);
    if (err!=0)
    {
        cout<<"Init Windows Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
        return -1;
    }

    //2.创建socket
    //套接字描述符,SOCKET实际上是unsigned int
    SOCKET serverSocket;
    serverSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if (serverSocket==INVALID_SOCKET)
    {
        cout<<"Create Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
        return -1;
    }


    //服务器端的地址和端口号
    struct sockaddr_in serverAddr,clientAdd;
    serverAddr.sin_addr.s_addr=inet_addr(IP_ADDRESS);
    serverAddr.sin_family=AF_INET;
    serverAddr.sin_port=htons(PORT);

    //3.绑定Socket，将Socket与某个协议的某个地址绑定
    err=bind(serverSocket,(struct sockaddr*)&serverAddr,sizeof(serverAddr));
    if (err!=0)
    {
        cout<<"Bind Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
        return -1;
    }


    //4.监听,将套接字由默认的主动套接字转换成被动套接字
    err=listen(serverSocket,10);
    if (err!=0)
    {
        cout<<"listen Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
        return -1;
    }

    cout<<"服务器端已启动......"<<endl;

    int addrLen=sizeof(clientAdd);
    while(true)
    {
        //5.接收请求，当收到请求后，会将客户端的信息存入clientAdd这个结构体中，并返回描述这个TCP连接的Socket
        SOCKET sockConn=accept(serverSocket,(struct sockaddr*)&clientAdd,&addrLen);
        if (sockConn==INVALID_SOCKET)
        {
            cout<<"Accpet Failed::"<<GetLastError()<<endl;
            return -1;
        }

        //6.调用send和recv这两个函数和客户端进行通信
        char sendBuf[50];
        sprintf(sendBuf,"message from server:client is %s !",inet_ntoa(clientAdd.sin_addr));
        send(sockConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);//第三个参数加上1是为了将字符串结束符'\0'也发送过去
        char recvBuf[50];
        recv(sockConn,recvBuf,50,0);
        cout<<recvBuf<<endl;

        closesocket(sockConn);
    }

    //7.清理Windows Socket库
    WSACleanup();

    return 0;
}

客户端代码：

客户端对应的4步下面也加上了注释。

#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#include <iostream>

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

#define  PORT 6000//设置连接的服务器的端口号
//#define  IP_ADDRESS "10.11.163.113"
#define  IP_ADDRESS "127.0.0.1" //设置连接的服务器的ip地址

using namespace std;

int main()
{
    WSADATA wsaData;
    int err;

    //1.首先执行初始化Windows Socket库
    err=WSAStartup(MAKEWORD(1,1),&wsaData);
    if (err!=0)
    {
        cout<<"Init Socket Failed::"<<GetLastError()<<endl;
        return -1;
    }

    //2.创建Socket
    SOCKET sockClient=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    struct sockaddr_in addrServer;
    addrServer.sin_addr.s_addr=inet_addr(IP_ADDRESS);
    addrServer.sin_family=AF_INET;
    addrServer.sin_port=htons(PORT);

    //3.连接Socket，第一个参数为客户端socket，第二个参数为服务器端地址
    err=connect(sockClient,(struct sockaddr *)&addrServer,sizeof(addrServer));
    if (err!=0)
    {
        cout<<"Connect Error::"<<GetLastError()<<endl;
        return -1;
    }else
    {
        cout<<"连接成功!"<<endl;
    }

    //4.发送，接收数据
    char sendStr[]="hello";
    send(sockClient,sendStr,strlen(sendStr)+1,0);//第三个参数加上1是为了将字符串结束符'\0'也发送过去
    char recvBuf[50];
    recv(sockClient,recvBuf,50,0);
    cout<<recvBuf<<endl;

    getchar();

    //5.关闭套接字
    closesocket(sockClient);
    WSACleanup();

    return 0;
}

上面的代码中有很大一部分是出错以后的处理代码，虽然这些代码使程序看起来变复杂了很多，但是强烈建议最开始写代码时还是将这些代码加上去，这样如果程序运行错误，可以很快定位是哪一步出错了。不过不加上这些错误提示的代码，出错以后就很难定位错误的地方了。

下面看看程序运行的效果，首先启动服务器端:

然后启动客户端，每启动一个客户端，它会连接连接服务器端，连接成功后客户端会显示“连接成功！”，然后客户端会向服务器端发送“hello”这个字符串，服务器收到这个字符串后会在服务器端显示这个字符串，并且向客户端发送"message from server:client is clientIP(代表客户端的ip地址)"字符串。然后客户端收到服务器端的字符串后将这个字符串显示在客户端，接着客户端关闭连接。可执行文件可以在这里下载，整个工程的文件可以在这里下载。

上面就是最基本的使用socket让客户端和服务器端进行通信的流程了，但是客户端只发送一次数据后就断开了连接，后面会依次完善这个模型。但是基本的框架还是这篇文章中的框架。

参考：

C++ Socket编程步骤