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基于Visual C++的Winsock API研究

[摘要]為了方便網(wǎng)絡(luò)編程,90年代初,由Microsoft聯(lián)合了其他幾家公司共同制定了一套WINDOWS下的網(wǎng)絡(luò)編程接口,即Windows Sockets規(guī)范,它不是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,而是一套開(kāi)放的、支持多種協(xié)議的Windows下的網(wǎng)絡(luò)編程接口,F(xiàn)在的Winsock已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了與協(xié)議無(wú)關(guān),你可以使用Win...
    為了方便網(wǎng)絡(luò)編程,90年代初,由Microsoft聯(lián)合了其他幾家公司共同制定了一套WINDOWS下的網(wǎng)絡(luò)編程接口,即Windows Sockets規(guī)范,它不是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,而是一套開(kāi)放的、支持多種協(xié)議的Windows下的網(wǎng)絡(luò)編程接口。現(xiàn)在的Winsock已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了與協(xié)議無(wú)關(guān),你可以使用Winsock來(lái)調(diào)用多種協(xié)議的功能,但較常使用的是TCP/IP協(xié)議。Socket實(shí)際在計(jì)算機(jī)中提供了一個(gè)通信端口,可以通過(guò)這個(gè)端口與任何一個(gè)具有Socket接口的計(jì)算機(jī)通信。應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上傳輸,接收的信息都通過(guò)這個(gè)Socket接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。
微軟為VC定義了Winsock類(lèi)如CAsyncSocket類(lèi)和派生于CAsyncSocket 的CSocket類(lèi),它們簡(jiǎn)單易用,讀者朋友當(dāng)然可以使用這些類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的網(wǎng)絡(luò)程序,但是為了更好的了解Winsock API編程技術(shù),我們這里探討怎樣使用底層的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的 Winsock 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程式設(shè)計(jì),分別說(shuō)明如何在Server端和Client端操作Socket,實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳送,最后給出相關(guān)的源代碼。

  在VC中進(jìn)行WINSOCK的API編程開(kāi)發(fā)的時(shí)候,需要在項(xiàng)目中使用下面三個(gè)文件,否則會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤。

  1.WINSOCK.H: 這是WINSOCK API的頭文件,需要包含在項(xiàng)目中。

  2.WSOCK32.LIB: WINSOCK API連接庫(kù)文件。在使用中,一定要把它作為項(xiàng)目的非缺省的連接庫(kù)包含到項(xiàng)目文件中去。

  3.WINSOCK.DLL: WINSOCK的動(dòng)態(tài)連接庫(kù),位于WINDOWS的安裝目錄下。

  一、服務(wù)器端操作 socket(套接字)

  1)在初始化階段調(diào)用WSAStartup()

  此函數(shù)在應(yīng)用程序中初始化Windows Sockets DLL ,只有此函數(shù)調(diào)用成功后,應(yīng)用程序才可以再調(diào)用其他Windows Sockets DLL中的API函數(shù)。在程式中調(diào)用該函數(shù)的形式如下:WSAStartup((WORD)((1<<8 1),(LPWSADATA)&WSAData),其中(1<<8 1)表示我們用的是WinSocket1.1版本,WSAata用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)傳回的關(guān)于WinSocket的資料。

  2)建立Socket

  初始化WinSock的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)后,需要在服務(wù)器端建立一個(gè)監(jiān)聽(tīng)的Socket,為此可以調(diào)用Socket()函數(shù)用來(lái)建立這個(gè)監(jiān)聽(tīng)的Socket,并定義此Socket所使用的通信協(xié)議。此函數(shù)調(diào)用成功返回Socket對(duì)象,失敗則返回INVALID_SOCKET(調(diào)用WSAGetLastError()可得知原因,所有WinSocket 的函數(shù)都可以使用這個(gè)函數(shù)來(lái)獲取失敗的原因)。

SOCKET PASCAL FAR socket( int af, int type, int protocol )
參數(shù): af:目前只提供 PF_INET(AF_INET);
type:Socket 的類(lèi)型 (SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM);
protocol:通訊協(xié)定(如果使用者不指定則設(shè)為0);

如果要建立的是遵從TCP/IP協(xié)議的socket,第二個(gè)參數(shù)type應(yīng)為SOCK_STREAM,如為UDP(數(shù)據(jù)報(bào))的socket,應(yīng)為SOCK_DGRAM。

  3)綁定端口

  接下來(lái)要為服務(wù)器端定義的這個(gè)監(jiān)聽(tīng)的Socket指定一個(gè)地址及端口(Port),這樣客戶端才知道待會(huì)要連接哪一個(gè)地址的哪個(gè)端口,為此我們要調(diào)用bind()函數(shù),該函數(shù)調(diào)用成功返回0,否則返回SOCKET_ERROR。
int PASCAL FAR bind( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name,int namelen );

參 數(shù): s:Socket對(duì)象名;
name:Socket的地址值,這個(gè)地址必須是執(zhí)行這個(gè)程式所在機(jī)器的IP地址;
namelen:name的長(zhǎng)度;

  如果使用者不在意地址或端口的值,那么可以設(shè)定地址為INADDR_ANY,及Port為0,Windows Sockets 會(huì)自動(dòng)將其設(shè)定適當(dāng)之地址及Port (1024 到 5000之間的值)。此后可以調(diào)用getsockname()函數(shù)來(lái)獲知其被設(shè)定的值。

  4)監(jiān)聽(tīng)

  當(dāng)服務(wù)器端的Socket對(duì)象綁定完成之后,服務(wù)器端必須建立一個(gè)監(jiān)聽(tīng)的隊(duì)列來(lái)接收客戶端的連接請(qǐng)求。listen()函數(shù)使服務(wù)器端的Socket 進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),并設(shè)定可以建立的最大連接數(shù)(目前最大值限制為 5, 最小值為1)。該函數(shù)調(diào)用成功返回0,否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR listen( SOCKET s, int backlog );
參 數(shù): s:需要建立監(jiān)聽(tīng)的Socket;
backlog:最大連接個(gè)數(shù);

  服務(wù)器端的Socket調(diào)用完listen()后,如果此時(shí)客戶端調(diào)用connect()函數(shù)提出連接申請(qǐng)的話,Server 端必須再調(diào)用accept() 函數(shù),這樣服務(wù)器端和客戶端才算正式完成通信程序的連接動(dòng)作。為了知道什么時(shí)候客戶端提出連接要求,從而服務(wù)器端的Socket在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候調(diào)用accept()函數(shù)完成連接的建立,我們就要使用WSAAsyncSelect()函數(shù),讓系統(tǒng)主動(dòng)來(lái)通知我們有客戶端提出連接請(qǐng)求了。該函數(shù)調(diào)用成功返回0,否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR WSAAsyncSelect( SOCKET s, HWND hWnd,unsigned int wMsg, long lEvent );
參數(shù): s:Socket 對(duì)象;
hWnd :接收消息的窗口句柄;
wMsg:傳給窗口的消息;
lEvent:被注冊(cè)的網(wǎng)絡(luò)事件,也即是應(yīng)用程序向窗口發(fā)送消息的網(wǎng)路事件,該值為下列值FD_READ、FD_WRITE、FD_OOB、FD_ACCEPT、FD_CONNECT、FD_CLOSE的組合,各個(gè)值的具體含意為FD_READ:希望在套接字S收到數(shù)據(jù)時(shí)收到消息;FD_WRITE:希望在套接字S上可以發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)收到消息;FD_ACCEPT:希望在套接字S上收到連接請(qǐng)求時(shí)收到消息;FD_CONNECT:希望在套接字S上連接成功時(shí)收到消息;FD_CLOSE:希望在套接字S上連接關(guān)閉時(shí)收到消息;FD_OOB:希望在套接字S上收到帶外數(shù)據(jù)時(shí)收到消息。  

  具體應(yīng)用時(shí),wMsg應(yīng)是在應(yīng)用程序中定義的消息名稱(chēng),而消息結(jié)構(gòu)中的lParam則為以上各種網(wǎng)絡(luò)事件名稱(chēng)。所以,可以在窗口處理自定義消息函數(shù)中使用以下結(jié)構(gòu)來(lái)響應(yīng)Socket的不同事件:  

switch(lParam) 
  {case FD_READ:
    …  
  break;
case FD_WRITE、
    …
  break;
    …
}  

  5)服務(wù)器端接受客戶端的連接請(qǐng)求

  當(dāng)Client提出連接請(qǐng)求時(shí),Server 端hwnd視窗會(huì)收到Winsock Stack送來(lái)我們自定義的一個(gè)消息,這時(shí),我們可以分析lParam,然后調(diào)用相關(guān)的函數(shù)來(lái)處理此事件。為了使服務(wù)器端接受客戶端的連接請(qǐng)求,就要使用accept() 函數(shù),該函數(shù)新建一Socket與客戶端的Socket相通,原先監(jiān)聽(tīng)之Socket繼續(xù)進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),等待他人的連接要求。該函數(shù)調(diào)用成功返回一個(gè)新產(chǎn)生的Socket對(duì)象,否則返回INVALID_SOCKET。

SOCKET PASCAL FAR accept( SCOKET s, struct sockaddr FAR *addr,int FAR *addrlen );
參數(shù):s:Socket的識(shí)別碼;
addr:存放來(lái)連接的客戶端的地址;
addrlen:addr的長(zhǎng)度

  6)結(jié)束 socket 連接

  結(jié)束服務(wù)器和客戶端的通信連接是很簡(jiǎn)單的,這一過(guò)程可以由服務(wù)器或客戶機(jī)的任一端啟動(dòng),只要調(diào)用closesocket()就可以了,而要關(guān)閉Server端監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的socket,同樣也是利用此函數(shù)。另外,與程序啟動(dòng)時(shí)調(diào)用WSAStartup()憨數(shù)相對(duì)應(yīng),程式結(jié)束前,需要調(diào)用 WSACleanup() 來(lái)通知Winsock Stack釋放Socket所占用的資源。這兩個(gè)函數(shù)都是調(diào)用成功返回0,否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR closesocket( SOCKET s );
參 數(shù):s:Socket 的識(shí)別碼;
int PASCAL FAR WSACleanup( void );
參 數(shù): 無(wú)

二、客戶端Socket的操作

  1)建立客戶端的Socket

  客戶端應(yīng)用程序首先也是調(diào)用WSAStartup() 函數(shù)來(lái)與Winsock的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)建立關(guān)系,然后同樣調(diào)用socket() 來(lái)建立一個(gè)TCP或UDP socket(相同協(xié)定的 sockets 才能相通,TCP 對(duì) TCP,UDP 對(duì) UDP)。與服務(wù)器端的socket 不同的是,客戶端的socket 可以調(diào)用 bind() 函數(shù),由自己來(lái)指定IP地址及port號(hào)碼;但是也可以不調(diào)用 bind(),而由 Winsock來(lái)自動(dòng)設(shè)定IP地址及port號(hào)碼。

  2)提出連接申請(qǐng)

  客戶端的Socket使用connect()函數(shù)來(lái)提出與服務(wù)器端的Socket建立連接的申請(qǐng),函數(shù)調(diào)用成功返回0,否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR connect( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name, int namelen );
參 數(shù):s:Socket 的識(shí)別碼;
name:Socket想要連接的對(duì)方地址;
namelen:name的長(zhǎng)度

  三、數(shù)據(jù)的傳送

  雖然基于TCP/IP連接協(xié)議(流套接字)的服務(wù)是設(shè)計(jì)客戶機(jī)/服務(wù)器應(yīng)用程序時(shí)的主流標(biāo)準(zhǔn),但有些服務(wù)也是可以通過(guò)無(wú)連接協(xié)議(數(shù)據(jù)報(bào)套接字)提供的。先介紹一下TCP socket 與UDP socket 在傳送數(shù)據(jù)時(shí)的特性:Stream (TCP) Socket 提供雙向、可靠、有次序、不重復(fù)的資料傳送。Datagram (UDP) Socket 雖然提供雙向的通信,但沒(méi)有可靠、有次序、不重復(fù)的保證,所以UDP傳送數(shù)據(jù)可能會(huì)收到無(wú)次序、重復(fù)的資料,甚至資料在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)遺漏。由于UDP Socket 在傳送資料時(shí),并不保證資料能完整地送達(dá)對(duì)方,所以絕大多數(shù)應(yīng)用程序都是采用TCP處理Socket,以保證資料的正確性。一般情況下TCP Socket 的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是調(diào)用send() 及recv() 這兩個(gè)函數(shù)來(lái)達(dá)成,而 UDP Socket則是用sendto() 及recvfrom() 這兩個(gè)函數(shù),這兩個(gè)函數(shù)調(diào)用成功發(fā)揮發(fā)送或接收的資料的長(zhǎng)度,否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR send( SOCKET s, const char FAR *buf,int len, int flags );
參數(shù):s:Socket 的識(shí)別碼
buf:存放要傳送的資料的暫存區(qū)
len buf:的長(zhǎng)度
flags:此函數(shù)被調(diào)用的方式

  對(duì)于Datagram Socket而言,若是 datagram 的大小超過(guò)限制,則將不會(huì)送出任何資料,并會(huì)傳回錯(cuò)誤值。對(duì)Stream Socket 言,Blocking 模式下,若是傳送系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)存空間不夠存放這些要傳送的資料,send()將會(huì)被block住,直到資料送完為止;如果該Socket被設(shè)定為 Non-Blocking 模式,那么將視目前的output buffer空間有多少,就送出多少資料,并不會(huì)被 block 住。flags 的值可設(shè)為 0 或 MSG_DONTROUTE及 MSG_OOB 的組合。

int PASCAL FAR recv( SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags );
參數(shù):s:Socket 的識(shí)別碼
buf:存放接收到的資料的暫存區(qū)
len buf:的長(zhǎng)度
flags:此函數(shù)被調(diào)用的方式

  對(duì)Stream Socket 言,我們可以接收到目前input buffer內(nèi)有效的資料,但其數(shù)量不超過(guò)len的大小。

  四、自定義的CMySocket類(lèi)的實(shí)現(xiàn)代碼:

  根據(jù)上面的知識(shí),我自定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的CMySocket類(lèi),下面是我定義的該類(lèi)的部分實(shí)現(xiàn)代碼:

//////////////////////////////////////
CMySocket::CMySocket() : file://類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)
{
 WSADATA wsaD;
 memset( m_LastError, 0, ERR_MAXLENGTH );
 // m_LastError是類(lèi)內(nèi)字符串變量,初始化用來(lái)存放最后錯(cuò)誤說(shuō)明的字符串;
 // 初始化類(lèi)內(nèi)sockaddr_in結(jié)構(gòu)變量,前者存放客戶端地址,后者對(duì)應(yīng)于服務(wù)器端地址;
 memset( &m_sockaddr, 0, sizeof( m_sockaddr ) );
 memset( &m_rsockaddr, 0, sizeof( m_rsockaddr ) );
 int result = WSAStartup((WORD)((1<<8 1), &wsaD);//初始化WinSocket動(dòng)態(tài)連接庫(kù);
 if( result != 0 ) // 初始化失敗;
 { set_LastError( "WSAStartup failed!", WSAGetLastError() );
  return;
 }
}

//////////////////////////////
CMySocket::~CMySocket() { WSACleanup(); }//類(lèi)的析構(gòu)函數(shù);
////////////////////////////////////////////////////
int CMySocket::Create( void )
 {// m_hSocket是類(lèi)內(nèi)Socket對(duì)象,創(chuàng)建一個(gè)基于TCP/IP的Socket變量,并將值賦給該變量;
  if ( (m_hSocket = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP )) == INVALID_SOCKET )
  {
   set_LastError( "socket() failed", WSAGetLastError() );
   return ERR_WSAERROR;
  }
  return ERR_SUCCESS;
 }
///////////////////////////////////////////////
int CMySocket::Close( void )//關(guān)閉Socket對(duì)象;
{
 if ( closesocket( m_hSocket ) == SOCKET_ERROR )
 {
  set_LastError( "closesocket() failed", WSAGetLastError() );
  return ERR_WSAERROR;
 }
 file://重置sockaddr_in 結(jié)構(gòu)變量;
 memset( &m_sockaddr, 0, sizeof( sockaddr_in ) );
 memset( &m_rsockaddr, 0, sizeof( sockaddr_in ) );
 return ERR_SUCCESS;
}
/////////////////////////////////////////
int CMySocket::Connect( char* strRemote, unsigned int iPort )//定義連接函數(shù);
{
 if( strlen( strRemote ) == 0 iPort == 0 )
  return ERR_BADPARAM;
 hostent *hostEnt = NULL;
 long lIPAddress = 0;
 hostEnt = gethostbyname( strRemote );//根據(jù)計(jì)算機(jī)名得到該計(jì)算機(jī)的相關(guān)內(nèi)容;
 if( hostEnt != NULL )
 {
  lIPAddress = ((in_addr*)hostEnt->h_addr)->s_addr;
  m_sockaddr.sin_addr.s_addr = lIPAddress;
 }
 else
 {
  m_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr( strRemote );
 }
 m_sockaddr.sin_family = AF_INET;
 m_sockaddr.sin_port = htons( iPort );
 if( connect( m_hSocket, (SOCKADDR*)&m_sockaddr, sizeof( m_sockaddr ) ) == SOCKET_ERROR )
 {
  set_LastError( "connect() failed", WSAGetLastError() );
  return ERR_WSAERROR;
 }
 return ERR_SUCCESS;
}
///////////////////////////////////////////////////////
int CMySocket::Bind( char* strIP, unsigned int iPort )//綁定函數(shù);
{
 if( strlen( strIP ) == 0 iPort == 0 )
  return ERR_BADPARAM;
 memset( &m_sockaddr,0, sizeof( m_sockaddr ) );
 m_sockaddr.sin_family = AF_INET;
 m_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr( strIP );
 m_sockaddr.sin_port = htons( iPort );
 if ( bind( m_hSocket, (SOCKADDR*)&m_sockaddr, sizeof( m_sockaddr ) ) == SOCKET_ERROR )
 {
  set_LastError( "bind() failed", WSAGetLastError() );
  return ERR_WSAERROR;
 }
 return ERR_SUCCESS;
}
//////////////////////////////////////////
int CMySocket::Accept( SOCKET s )//建立連接函數(shù),S為監(jiān)聽(tīng)Socket對(duì)象名;
{
 int Len = sizeof( m_rsockaddr );
 memset( &m_rsockaddr, 0, sizeof( m_rsockaddr ) );
 if( ( m_hSocket = accept( s, (SOCKADDR*)&m_rsockaddr, &Len ) ) == INVALID_SOCKET )
 {
  set_LastError( "accept() failed", WSAGetLastError() );
  return ERR_WSAERROR;
 }
 return ERR_SUCCESS;
}
/////////////////////////////////////////////////////
int CMySocket::asyncSelect( HWND hWnd, unsigned int wMsg, long lEvent )
file://事件選擇函數(shù);
{
 if( !IsWindow( hWnd ) wMsg == 0 lEvent == 0 )
  return ERR_BADPARAM;
 if( WSAAsyncSelect( m_hSocket, hWnd, wMsg, lEvent ) == SOCKET_ERROR )
 {
  set_LastError( "WSAAsyncSelect() failed", WSAGetLastError() );
  return ERR_WSAERROR;
 }
 return ERR_SUCCESS;
}
////////////////////////////////////////////////////
int CMySocket::Listen( int iQueuedConnections )//監(jiān)聽(tīng)函數(shù);
{
 if( iQueuedConnections == 0 )
  return ERR_BADPARAM;
 if( listen( m_hSocket, iQueuedConnections ) == SOCKET_ERROR )
 {
  set_LastError( "listen() failed", WSAGetLastError() );
  return ERR_WSAERROR;
 }
 return ERR_SUCCESS;
}
////////////////////////////////////////////////////
int CMySocket::Send( char* strData, int iLen )//數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù);
{
 if( strData == NULL iLen == 0 )
  return ERR_BADPARAM;
 if( send( m_hSocket, strData, iLen, 0 ) == SOCKET_ERROR )
 {
  set_LastError( "send() failed", WSAGetLastError() );
  return ERR_WSAERROR;
 }
 return ERR_SUCCESS;
}
/////////////////////////////////////////////////////
int CMySocket::Receive( char* strData, int iLen )//數(shù)據(jù)接收函數(shù);
{
 if( strData == NULL )
  return ERR_BADPARAM;
 int len = 0;
 int ret = 0;
 ret = recv( m_hSocket, strData, iLen, 0 );
 if ( ret == SOCKET_ERROR )
 {
  set_LastError( "recv() failed", WSAGetLastError() );
  return ERR_WSAERROR;
 }
 return ret;
}
void CMySocket::set_LastError( char* newError, int errNum )
file://WinSock API操作錯(cuò)誤字符串設(shè)置函數(shù);
{
 memset( m_LastError, 0, ERR_MAXLENGTH );
 memcpy( m_LastError, newError, strlen( newError ) );
 m_LastError[strlen(newError)+1] = ''\0'';
}

  有了上述類(lèi)的定義,就可以在網(wǎng)絡(luò)程序的服務(wù)器和客戶端分別定義CMySocket對(duì)象,建立連接,傳送數(shù)據(jù)了。例如,為了在服務(wù)器和客戶端發(fā)送數(shù)據(jù),需要在服務(wù)器端定義兩個(gè)CMySocket對(duì)象ServerSocket1和ServerSocket2,分別用于監(jiān)聽(tīng)和連接,客戶端定義一個(gè)CMySocket對(duì)象ClientSocket,用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù),如果建立的連接數(shù)大于一,可以在服務(wù)器端再定義CMySocket對(duì)象,但要注意連接數(shù)不要大于五。

  由于Socket API函數(shù)還有許多,如獲取遠(yuǎn)端服務(wù)器、本地客戶機(jī)的IP地址、主機(jī)名等等,讀者可以再此基礎(chǔ)上對(duì)CMySocket補(bǔ)充完善,實(shí)現(xiàn)更多的功能。