第3章網(wǎng) 絡(luò) 編 程 本章主要介紹網(wǎng)絡(luò)編程的一些主要方法，并配有編程實(shí)驗(yàn)。一些實(shí)驗(yàn)只提出要求，程序編寫(xiě)過(guò)程需要讀者自行完成。 如果應(yīng)用程序涉及本地與遠(yuǎn)程之間的通信，就需要采用網(wǎng)絡(luò)編程。網(wǎng)絡(luò)編程*主要的工作就是在發(fā)送端把信息通過(guò)規(guī)定好的協(xié)議進(jìn)行包的組裝，在接收端按照規(guī)定好的協(xié)議把包進(jìn)行解析并提取出對(duì)應(yīng)的信息，從而達(dá)到通信的目的。中間*主要的就是數(shù)據(jù)包的組裝、過(guò)濾、捕獲和分析以及其他處理。 通過(guò)使用套接字達(dá)到進(jìn)程間通信目的的編程就是網(wǎng)絡(luò)編程。套接字即Socket，應(yīng)用程序通常通過(guò)套接字向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，實(shí)際上是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序接口（API）。套接字是由傳輸層提供的應(yīng)用程序（進(jìn)程）和網(wǎng)絡(luò)之間的接入點(diǎn)，如圖3.1所示。應(yīng)用程序（進(jìn)程）可以通過(guò)套接字訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，套接字利用主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)層地址和端口號(hào)為兩個(gè)進(jìn)程建立邏輯連接。

        圖3.1Socket是應(yīng)用層與傳輸層之間的橋梁 套接字可以用于多種協(xié)議，包括TCP/IP協(xié)議。常用的端口號(hào)如表3.1所示。表3.1TCP/IP常用端口號(hào)協(xié)議NNTPFTP（數(shù)據(jù)）FTP（控制）TelnetSTMPHTTPPOP3端口號(hào)192021232580110為了方便網(wǎng)絡(luò)編程，20世紀(jì)90年代初，Microsoft聯(lián)合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)，可以使用Winsock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)際上是在計(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接口實(shí)現(xiàn)。 Socket是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口提供了很多的函數(shù)，可以用于開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，同時(shí)Socket也是一種文件描述符。Socket的使用主要有Socket建立、配置、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和結(jié)束傳輸?shù)冗^(guò)程。

      3。1利用套接字建立邏輯信道 一般發(fā)起通信請(qǐng)求的程序被稱(chēng)為客戶(hù)端，用戶(hù)一般是通過(guò)客戶(hù)端軟件訪問(wèn)某種服務(wù)�？蛻�(hù)端應(yīng)用程序通過(guò)與服務(wù)器建立連接和發(fā)送請(qǐng)求，然后接收服務(wù)器返回的內(nèi)容。服務(wù)器則一般是等待并處理客戶(hù)端請(qǐng)求的應(yīng)用程序。服務(wù)器通常由系統(tǒng)執(zhí)行，在系統(tǒng)生存期間一直存在和等待客戶(hù)端的請(qǐng)求，并且在接收到客戶(hù)端的請(qǐng)求后，根據(jù)請(qǐng)求向客戶(hù)端返回合適的內(nèi)容。 通信的一方（被動(dòng)方，稱(chēng)為服務(wù)器）監(jiān)聽(tīng)某個(gè)端口；通信的另一方（主動(dòng)方，稱(chēng)為客戶(hù)端）如果知道服務(wù)器的IP地址和它所監(jiān)聽(tīng)的端口， 便可以試圖發(fā)送請(qǐng)求建立連接。該連接請(qǐng)求包含： 服務(wù)器IP地址、服務(wù)器端口號(hào)、客戶(hù)IP地址、客戶(hù)端口號(hào)。由于客戶(hù)端口號(hào)由客戶(hù)端的系統(tǒng)（TCP進(jìn)程）自動(dòng)選取一個(gè)當(dāng)前未用的端口，該四元組便可以在因特網(wǎng)中*標(biāo)識(shí)一個(gè)邏輯連接。服務(wù)器收到客戶(hù)端發(fā)來(lái)的連接請(qǐng)求后，便發(fā)出響應(yīng)建立該連接，這樣就建立了一條邏輯信道。 客戶(hù)和服務(wù)器通過(guò)請(qǐng)求響應(yīng)方式可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要關(guān)閉該連接。這種工作模式是有連接的客戶(hù)端/服務(wù)器模式（Client/Server）。 根據(jù)連接啟動(dòng)的方式以及本地套接字要連接的目標(biāo)，套接字之間的連接過(guò)程可以分為三個(gè)步驟： 服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)，客戶(hù)端請(qǐng)求，連接確認(rèn)。

       （1） 服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)： 是指服務(wù)器端套接字并不定位具體的客戶(hù)端套接字，而是處于等待連接的狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。        （2） 客戶(hù)端請(qǐng)求： 是指由客戶(hù)端的套接字提出連接請(qǐng)求，要連接的目標(biāo)是服務(wù)器端的套接字。為此，客戶(hù)端的套接字必須首先描述它要連接的服務(wù)器的套接字，指出服務(wù)器端套接字的地址和端口號(hào)，然后向服務(wù)器端套接字提出連接請(qǐng)求。

       （3） 連接確認(rèn)： 是指當(dāng)服務(wù)器端套接字監(jiān)聽(tīng)到或者接收到客戶(hù)端套接字的連接請(qǐng)求，它就響應(yīng)客戶(hù)端套接字的請(qǐng)求，建立一個(gè)新的線(xiàn)程，把服務(wù)器端套接字的描述發(fā)給客戶(hù)端，一旦客戶(hù)端確認(rèn)了此描述，連接就建立好了。而服務(wù)器端套接字繼續(xù)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，繼續(xù)接收其他客戶(hù)端套接字的連接請(qǐng)求。 這三個(gè)步驟類(lèi)似于三次握手，如圖3.2所示。 圖3.2客戶(hù)端與服務(wù)器端的三次握手3。2Client/Server工作模式分類(lèi) Client/Server工作模式一般按下列分類(lèi)：

       （1） 有狀態(tài)和無(wú)狀態(tài)： 服務(wù)器是否記錄客戶(hù)端的當(dāng)前狀態(tài)。

       （2） 有連接（TCP）和無(wú)連接（UDP）： 客戶(hù)端和服務(wù)器之間是否先建立連接再傳輸數(shù)據(jù)。

       （3） 循環(huán)和并發(fā)： 服務(wù)器對(duì)多客戶(hù)端請(qǐng)求的服務(wù)是采用循環(huán)方法還是并發(fā)程序方法。 TCP協(xié)議面向連接，使用可靠的字節(jié)流傳送服務(wù)；而UDP協(xié)議面向非連接，使用非可靠的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。TCP協(xié)議提供高可靠性的傳輸，UDP協(xié)議提供高效的傳輸。它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中有其各自所適應(yīng)的場(chǎng)合。

        3。3面向連接的Client/Server模式 在面向連接的Client/Server結(jié)構(gòu)中，操作過(guò)程采取的是主動(dòng)請(qǐng)求方式： 服務(wù)器首先啟動(dòng)，并根據(jù)請(qǐng)求提供相應(yīng)服務(wù)。 通過(guò)調(diào)用socket（）建立一個(gè)套接口，然后調(diào)用bind（）將該套接口和本地網(wǎng)絡(luò)地址聯(lián)系在一起，再調(diào)用listen（）使套接口做好偵聽(tīng)的準(zhǔn)備，并規(guī)定它的請(qǐng)求隊(duì)列的長(zhǎng)度，之后調(diào)用accept（）接收連接。客戶(hù)端在建立套接口后就可調(diào)用connect（）和服務(wù)器建立連接。連接一旦建立，客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器之間就可以供對(duì)方讀取或者讀取對(duì)方數(shù)據(jù)。*后在數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，雙方調(diào)用close（）關(guān)閉套接口。 

       3。3。1面向連接的服務(wù)器工作流程 面向連接的服務(wù)器工作流程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

       1。 創(chuàng)建套接字 Socket建立是通過(guò)調(diào)用Socket函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，該函數(shù)定義如下： SOCKET socket（int domain， int type， int protocol）其中參數(shù)： domain： 指明使用的協(xié)議族，如果取值A(chǔ)F_INET，用于網(wǎng)絡(luò)通信；如果取值A(chǔ)F_UNIX，用于單一UNIX系統(tǒng)中進(jìn)程間通信。 type： 指明socket類(lèi)型，如果取值SOCK_STREAM，表示是流式，面向連接的比特流，順序、可靠、雙向，用于TCP通信；如果取值SOCK_DGRAM，表示數(shù)據(jù)報(bào)式、無(wú)連接、定長(zhǎng)、不可靠，用于UDP通信。 protocol： 由于指定了type，一般用0。 函數(shù)返回： 一個(gè)整型的socket描述符，供后面使用。如果調(diào)用失敗，返回一個(gè)INVALID_SOCKET值，錯(cuò)誤信息可以通過(guò)WSAGetLastError函數(shù)返回。 例如，一個(gè)socket可如下建立： int sockfd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0）2。 將本地IP地址和端口號(hào)綁定到套接字 Socket的建立實(shí)際上是為socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配了一個(gè)名字空間并返回指針，接著要對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)。bind（）將一本地地址與一套接口捆綁，它適用于未連接的數(shù)據(jù)報(bào)或流類(lèi)套接口，在connect（）或listen（）調(diào)用前使用。bind（）函數(shù)通過(guò)給一個(gè)未命名套接口分配一個(gè)本地名字為套接口建立本地捆綁（主機(jī)地址/端口號(hào)）。 bind（）定義如下： int bind（SOCKET socket， struct sockaddr �� address， int addr_len）其中參數(shù)： sockfd： 由socket（）調(diào)用返回的套接口文件描述符。 sockaddr： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)sockaddr中包括了關(guān)于本地地址、端口和IP地址的信息。 addr_len： 地址長(zhǎng)度，可以設(shè)置成sizeof（structsockaddr）。 通常服務(wù)器在啟動(dòng)時(shí)都會(huì)綁定一個(gè)眾所周知的地址（如IP地址+端口號(hào)），用于提供服務(wù)，客戶(hù)端可以通過(guò)它連接服務(wù)器；而客戶(hù)端不用指定，有的系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分配一個(gè)端口號(hào)和自身的IP地址組合。這就是為什么通常服務(wù)器端在listen（）之前會(huì)調(diào)用bind（），而客戶(hù)端就不會(huì)調(diào)用，而是在connect（）時(shí)由系統(tǒng)隨機(jī)生成一個(gè)。 函數(shù)返回： 如無(wú)錯(cuò)誤發(fā)生，則bind（）返回0；否則返回SOCKET_ERROR，應(yīng)用程序可通過(guò)WSAGetLastError（）獲取相應(yīng)錯(cuò)誤代碼。

       3。 服務(wù)端使用listen（）開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng) listen（）在套接字函數(shù)中表示讓一個(gè)套接字處于監(jiān)聽(tīng)到來(lái)的連接請(qǐng)求的狀態(tài)。從客戶(hù)端發(fā)來(lái)的連接請(qǐng)求將首先進(jìn)入該等待隊(duì)列，等待本進(jìn)程的處理。listen（）定義如下： int listen（SOCKET socket， int backlog）其中參數(shù)： socket： 一個(gè)已綁定未被連接的套接字描述符。 backlog： 進(jìn)入隊(duì)列中允許的連接的個(gè)數(shù)。進(jìn)入的連接請(qǐng)求在使用系統(tǒng)調(diào)用accept（）應(yīng)答之前要在進(jìn)入隊(duì)列中等待。該值是隊(duì)列中*多可以擁有的請(qǐng)求的個(gè)數(shù)，大多數(shù)系統(tǒng)的默認(rèn)設(shè)置為20。 函數(shù)返回： 無(wú)錯(cuò)誤返回0；否則返回SOCKET ERROR，可以調(diào)用函數(shù)WSAGetLastError取得錯(cuò)誤代碼。 例如，listen（s，1）表示連接請(qǐng)求隊(duì)列長(zhǎng)度為1，即只允許有一個(gè)請(qǐng)求，若有多個(gè)請(qǐng)求，則出現(xiàn)錯(cuò)誤，給出錯(cuò)誤代碼WSAECONNREFUSED。

       4。 接受從客戶(hù)端發(fā)來(lái)的請(qǐng)求 accept（）是網(wǎng)絡(luò)編程的重要函數(shù)，其作用是在一個(gè)套接口接受一個(gè)連接，其頭文件對(duì)于Windows系統(tǒng)是在#include中，而Linux系統(tǒng)則在#include 中。 accept（）從端口的請(qǐng)求連接的等待連接隊(duì)列中抽取*個(gè)連接，創(chuàng)建一個(gè)與此同類(lèi)的新的套接口并返回句柄。如果隊(duì)列中無(wú)等待連接，且套接口為阻塞方式，則accept（）阻塞調(diào)用進(jìn)程直至新的連接出現(xiàn)。如果套接口為非阻塞方式且隊(duì)列中無(wú)等待連接，則accept（）返回一錯(cuò)誤代碼。已接受連接的套接口不能用于接受新的連接，原套接口仍保持開(kāi)放。accept（）定義如下： SOCKETaccept（SOCKET socket， struct sockaddr �� address， int addr_len）其中參數(shù)： Socket： 正在監(jiān)聽(tīng)端口的套接口文件描述符。 Address： 客戶(hù)端的socket地址。 addr_len： socket地址的長(zhǎng)度。 函數(shù)返回： 如果沒(méi)有錯(cuò)誤產(chǎn)生，則accept（）返回一個(gè)描述所接收包的SOCKET類(lèi)型的值；否則返回INVALID_SOCKET錯(cuò)誤，應(yīng)用程序可通過(guò)調(diào)用WSAGetLastError（）獲得特定的錯(cuò)誤代碼。

       5。 發(fā)送和接收數(shù)據(jù) 建立連接后，客戶(hù)端和服務(wù)器端就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，通過(guò)使用send（）發(fā)送數(shù)據(jù)，使用recv（）接收數(shù)據(jù)。int send（SOCKETsocket， char �砿essage， int msg_len，int flags）其中參數(shù)： socket： 發(fā)送數(shù)據(jù)的套接口文件描述符。它可以通過(guò)socket（）系統(tǒng)調(diào)用返回，也可以通過(guò)accept（）系統(tǒng)調(diào)用得到。 message： 指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)的指針。 msg_len： 要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度。 flags： 標(biāo)志，一般設(shè)置為0。 函數(shù)返回： 無(wú)錯(cuò)時(shí)返回實(shí)際發(fā)送的字節(jié)數(shù)，否則返回SOCKET_ERROR。int recv（SOCKETsocket， char �砿essage， int msg_len，int flags）其中參數(shù)： socket： 要讀取的套接口文件描述符。 message： 保存讀入信息的緩沖區(qū)起始地址。 msg_len： 緩沖區(qū)的*大長(zhǎng)度。 flags： 標(biāo)志，一般設(shè)置為0。 函數(shù)返回： 無(wú)錯(cuò)時(shí)返回實(shí)際接收的字節(jié)數(shù)，否則返回SOCKET_ERROR。

      6。 關(guān)閉連接套接字 使用close（）調(diào)用關(guān)閉連接的套接口文件描述符： int closesocket（SOCKETsocket）；之后就不能再對(duì)此套接口做任何的讀/寫(xiě)操作。

      7。 轉(zhuǎn)4或結(jié)束

      3。3。2面向連接的客戶(hù)端工作流程

      1。 創(chuàng)建套接字SOCKETsocket（int domain， int type， int protocol）

      2。 發(fā)出連接請(qǐng)求 connect（）用于建立與指定socket的連接。對(duì)于流類(lèi)套接口（SOCK_STREAM類(lèi)型），利用名字與一個(gè)遠(yuǎn)程主機(jī)建立連接，一旦套接口調(diào)用成功返回，它就能收發(fā)數(shù)據(jù)了。對(duì)于數(shù)據(jù)報(bào)類(lèi)套接口（SOCK_DGRAM類(lèi)型），則設(shè)置成一個(gè)默認(rèn)的目的地址，并用它進(jìn)行后續(xù)的send（）與recv（）調(diào)用。int connect（SOCKET socket， struct sockaddr �� address， int addr_len）其中參數(shù)： Socket： 由系統(tǒng)調(diào)用socket（）返回的套接口文件描述符。 Address： 指向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)sockaddr的指針，其中包括目的（即服務(wù)器）端口和IP地址。 addr_len： 地址長(zhǎng)度，可以使用sizeof（struct sockaddr）獲得。 函數(shù)返回： 若無(wú)錯(cuò)誤發(fā)生，則connect（）返回0；否則返回SOCKET_ERROR錯(cuò)誤，可通過(guò)WSAGetLastError（）獲取相應(yīng)錯(cuò)誤代碼。

       3。 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

       4。 關(guān)閉此連接的套接字 其工作過(guò)程如圖3.3所示。 圖3.3基本TCP客戶(hù).服務(wù)器工作過(guò)程 3。4無(wú)連接的Client/Server模式 在無(wú)連接的Client/Server結(jié)構(gòu)中，服務(wù)器使用socket（）和bind（）函數(shù)調(diào)用建立和連接Socket。由于此時(shí)的Socket是無(wú)連接的，服務(wù)器使用recvfrom（）函數(shù)從Socket接收數(shù)據(jù)�？蛻�(hù)端也只調(diào)用bind（）函數(shù)而不調(diào)用connect（）函數(shù)。注意： 無(wú)連接的協(xié)議不在兩個(gè)端口之間建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，因此sendto（）函數(shù)要求程序在一個(gè)參數(shù)中指明目的地址。recvfrom（）函數(shù)不需要建立連接，它對(duì)到達(dá)相連協(xié)議端口的任何數(shù)據(jù)作出響應(yīng)。當(dāng)recvfrom（）函數(shù)從Socket收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，它將保存發(fā)送此數(shù)據(jù)包的進(jìn)程的網(wǎng)絡(luò)地址以及數(shù)據(jù)包本身。程序（服務(wù)器和客戶(hù)）用保存的地址去確定發(fā)送（客戶(hù)）進(jìn)程。在必要的條件下，服務(wù)器將其應(yīng)答數(shù)據(jù)報(bào)送到從recvfrom（）函數(shù)調(diào)用中所得到的網(wǎng)絡(luò)地址中去。其工作過(guò)程如圖3.4所示。 圖3.4基本UDP客戶(hù).服務(wù)器工作過(guò)程 一般而言，大多數(shù)TCP服務(wù)器是并發(fā)的，而大多數(shù)UDP服務(wù)器是迭代的。多數(shù)TCP服務(wù)器是與調(diào)用fork處理每個(gè)客戶(hù)連接的服務(wù)器并發(fā)執(zhí)行的。迭代服務(wù)器沒(méi)有對(duì)fork的調(diào)用，所以單一服務(wù)器進(jìn)程就處理了所有客戶(hù)。

        3。5編 程 實(shí) 驗(yàn) 在Visual C++中進(jìn)行Winsock的API編程開(kāi)發(fā)時(shí)，需要在項(xiàng)目中使用下面3個(gè)文件，否則會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤。 （1） winsock。h： 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)目的非默認(rèn)的連接庫(kù)包含到項(xiàng)目文件中。 （3） winsock。dll： Winsock的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，位于Windows的安裝目錄下。

        【例3.1】下面是一個(gè)有連接的編程實(shí)例。程序分兩部分： 服務(wù)器端程序和客戶(hù)端程序。 （1） 服務(wù)器端程序。//TCPdtd_server。cpp - main， TCPdaytimed #include #include #include #include void errexit（const char ��，…）； void TCPdaytimed（SOCKET）； SOCKET passiveTCP（const char ��， int）； #define QLEN5 #defineWSVERSMAKEWORD（2， 0） ……