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，并配有編程實驗。一些實驗只提出要求，程序編寫過程需要讀者自行完成。 如果應(yīng)用程序涉及本地與遠程之間的通信，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)送端把信息通過規(guī)定好的協(xié)議進行包的組裝，在接收端按照規(guī)定好的協(xié)議把包進行解析并提取出對應(yīng)的信息，從而達到通信的目的。中間*主要的就是數(shù)據(jù)包的組裝、過濾、捕獲和分析以及其他處理。 通過使用套接字達到進程間通信目的的編程就是網(wǎng)絡(luò)編程。套接字即Socket，應(yīng)用程序通常通過套接字向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求，實際上是網(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（進程）和網(wǎng)絡(luò)之間的接入點，如圖3.1所示。應(yīng)用程序（進程）可以通過套接字訪問網(wǎng)絡(luò)，套接字利用主機的網(wǎng)絡(luò)層地址和端口號為兩個進程建立邏輯連接。

        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。常用的端口號如表3.1所示。表3.1TCP/IP常用端口號協(xié)議NNTPFTP（數(shù)據(jù)）FTP（控制）TelnetSTMPHTTPPOP3端口號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)基本上實現(xiàn)了與協(xié)議無關(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實際上是在計算機中提供了一個通信端口，可以通過這個端口與任何一個具有Socket接口的計算機通信。應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，接收的信息都通過這個Socket接口實現(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^程。

      3。1利用套接字建立邏輯信道 一般發(fā)起通信請求的程序被稱為客戶端，用戶一般是通過客戶端軟件訪問某種服務(wù)�？蛻舳藨�(yīng)用程序通過與服務(wù)器建立連接和發(fā)送請求，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端請求的應(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端的請求，并且在接收到客戶端的請求后，根據(jù)請求向客戶端返回合適的內(nèi)容。 通信的一方（被動方，稱為服務(wù)器）監(jiān)聽某個端口；通信的另一方（主動方，稱為客戶端）如果知道服務(wù)器的IP地址和它所監(jiān)聽的端口， 便可以試圖發(fā)送請求建立連接。該連接請求包含： 服務(wù)器IP地址、服務(wù)器端口號、客戶IP地址、客戶端口號。由于客戶端口號由客戶端的系統(tǒng)（TCP進程）自動選取一個當(dāng)前未用的端口，該四元組便可以在因特網(wǎng)中*標(biāo)識一個邏輯連接。服務(wù)器收到客戶端發(fā)來的連接請求后，便發(fā)出響應(yīng)建立該連接，這樣就建立了一條邏輯信道。 客戶和服務(wù)器通過請求響應(yīng)方式可以進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸時，需要關(guān)閉該連接。這種工作模式是有連接的客戶端/服務(wù)器模式（Client/Server）。 根據(jù)連接啟動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程可以分為三個步驟： 服務(wù)器監(jiān)聽，客戶端請求，連接確認。

       （1） 服務(wù)器監(jiān)聽： 是指服務(wù)器端套接字并不定位具體的客戶端套接字，而是處于等待連接的狀態(tài)，實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。        （2） 客戶端請求： 是指由客戶端的套接字提出連接請求，要連接的目標(biāo)是服務(wù)器端的套接字。為此，客戶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，然后向服務(wù)器端套接字提出連接請求。

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

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

       （2） 有連接（TCP）和無連接（UDP）： 客戶端和服務(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)器對多客戶端請求的服務(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。它們在實際應(yīng)用中有其各自所適應(yīng)的場合。

        3。3面向連接的Client/Server模式 在面向連接的Client/Server結(jié)構(gòu)中，操作過程采取的是主動請求方式： 服務(wù)器首先啟動，并根據(jù)請求提供相應(yīng)服務(wù)。 通過調(diào)用socket（）建立一個套接口，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（）使套接口做好偵聽的準(zhǔn)備，并規(guī)定它的請求隊列的長度，之后調(diào)用accept（）接收連接�？蛻舳嗽诮�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，客戶機和服務(wù)器之間就可以供對方讀取或者讀取對方數(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環(huán)節(jié)。

       1。 創(chuàng)建套接字 Socket建立是通過調(diào)用Socket函數(shù)實現(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)中進程間通信。 type： 指明socket類型，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)報式、無連接、定長、不可靠，用于UDP通信。 protocol： 由于指定了type，一般用0。 函數(shù)返回： 一個整型的socket描述符，供后面使用。如果調(diào)用失敗，返回一個INVALID_SOCKET值，錯誤信息可以通過WSAGetLastError函數(shù)返回。 例如，一個socket可如下建立： int sockfd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0）2。 將本地IP地址和端口號綁定到套接字 Socket的建立實際上是為socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配了一個名字空間并返回指針，接著要對數(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)報或流類套接口，在connect（）或listen（）調(diào)用前使用。bind（）函數(shù)通過給一個未命名套接口分配一個本地名字為套接口建立本地捆綁（主機地址/端口號）。 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： 地址長度，可以設(shè)置成sizeof（structsockaddr）。 通常服務(wù)器在啟動時都會綁定一個眾所周知的地址（如IP地址+端口號），用于提供服務(wù)，客戶端可以通過它連接服務(wù)器；而客戶端不用指定，有的系統(tǒng)會自動分配一個端口號和自身的IP地址組合。這就是為什么通常服務(wù)器端在listen（）之前會調(diào)用bind（），而客戶端就不會調(diào)用，而是在connect（）時由系統(tǒng)隨機生成一個。 函數(shù)返回： 如無錯誤發(fā)生，則bind（）返回0；否則返回SOCKET_ERROR，應(yīng)用程序可通過WSAGetLastError（）獲取相應(yīng)錯誤代碼。

       3。 服務(wù)端使用listen（）開啟監(jiān)聽 listen（）在套接字函數(shù)中表示讓一個套接字處于監(jiān)聽到來的連接請求的狀態(tài)。從客戶端發(fā)來的連接請求將首先進入該等待隊列，等待本進程的處理。listen（）定義如下： int listen（SOCKET socket， int backlog）其中參數(shù)： socket： 一個已綁定未被連接的套接字描述符。 backlog： 進入隊列中允許的連接的個數(shù)。進入的連接請求在使用系統(tǒng)調(diào)用accept（）應(yīng)答之前要在進入隊列中等待。該值是隊列中*多可以擁有的請求的個數(shù)，大多數(shù)系統(tǒng)的默認設(shè)置為20。 函數(shù)返回： 無錯誤返回0；否則返回SOCKET ERROR，可以調(diào)用函數(shù)WSAGetLastError取得錯誤代碼。 例如，listen（s，1）表示連接請求隊列長度為1，即只允許有一個請求，若有多個請求，則出現(xiàn)錯誤，給出錯誤代碼WSAECONNREFUSED。

       4。 接受從客戶端發(fā)來的請求 accept（）是網(wǎng)絡(luò)編程的重要函數(shù)，其作用是在一個套接口接受一個連接，其頭文件對于Windows系統(tǒng)是在#include中，而Linux系統(tǒng)則在#include 中。 accept（）從端口的請求連接的等待連接隊列中抽取*個連接，創(chuàng)建一個與此同類的新的套接口并返回句柄。如果隊列中無等待連接，且套接口為阻塞方式，則accept（）阻塞調(diào)用進程直至新的連接出現(xiàn)。如果套接口為非阻塞方式且隊列中無等待連接，則accept（）返回一錯誤代碼。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)聽端口的套接口文件描述符。 Address： 客戶端的socket地址。 addr_len： socket地址的長度。 函數(shù)返回： 如果沒有錯誤產(chǎn)生，則accept（）返回一個描述所接收包的SOCKET類型的值；否則返回INVALID_SOCKET錯誤，應(yīng)用程序可通過調(diào)用WSAGetLastError（）獲得特定的錯誤代碼。

       5。 發(fā)送和接收數(shù)據(jù) 建立連接后，客戶端和服務(wù)器端就可以進行數(shù)據(jù)傳輸了，通過使用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socket（）系統(tǒng)調(diào)用返回，也可以通過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)長度。 flags： 標(biāo)志，一般設(shè)置為0。 函數(shù)返回： 無錯時返回實際發(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*大長度。 flags： 標(biāo)志，一般設(shè)置為0。 函數(shù)返回： 無錯時返回實際接收的字節(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）；之后就不能再對此套接口做任何的讀/寫操作。

      7。 轉(zhuǎn)4或結(jié)束

      3。3。2面向連接的客戶端工作流程

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

      2。 發(fā)出連接請求 connect（）用于建立與指定socket的連接。對于流類套接口（SOCK_STREAM類型），利用名字與一個遠程主機建立連接，一旦套接口調(diào)用成功返回，它就能收發(fā)數(shù)據(jù)了。對于數(shù)據(jù)報類套接口（SOCK_DGRAM類型），則設(shè)置成一個默認的目的地址，并用它進行后續(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： 地址長度，可以使用sizeof（struct sockaddr）獲得。 函數(shù)返回： 若無錯誤發(fā)生，則connect（）返回0；否則返回SOCKET_ERROR錯誤，可通過WSAGetLastError（）獲取相應(yīng)錯誤代碼。

       3。 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

       4。 關(guān)閉此連接的套接字 其工作過程如圖3.3所示。 圖3.3基本TCP客戶.服務(wù)器工作過程 3。4無連接的Client/Server模式 在無連接的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。由于此時的Socket是無連接的，服務(wù)器使用recvfrom（）函數(shù)從Socket接收數(shù)據(jù)�？蛻舳艘仓徽{(diào)用bind（）函數(shù)而不調(diào)用connect（）函數(shù)。注意： 無連接的協(xié)議不在兩個端口之間建立點對點的連接，因此sendto（）函數(shù)要求程序在一個參數(shù)中指明目的地址。recvfrom（）函數(shù)不需要建立連接，它對到達相連協(xié)議端口的任何數(shù)據(jù)作出響應(yīng)。當(dāng)recvfrom（）函數(shù)從Socket收到一個數(shù)據(jù)報時，它將保存發(fā)送此數(shù)據(jù)包的進程的網(wǎng)絡(luò)地址以及數(shù)據(jù)包本身。程序（服務(wù)器和客戶）用保存的地址去確定發(fā)送（客戶）進程。在必要的條件下，服務(wù)器將其應(yīng)答數(shù)據(jù)報送到從recvfrom（）函數(shù)調(diào)用中所得到的網(wǎng)絡(luò)地址中去。其工作過程如圖3.4所示。 圖3.4基本UDP客戶.服務(wù)器工作過程 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處理每個客戶連接的服務(wù)器并發(fā)執(zhí)行的。迭代服務(wù)器沒有對fork的調(diào)用，所以單一服務(wù)器進程就處理了所有客戶。

        3。5編 程 實 驗 在Visual C++中進行Winsock的API編程開發(fā)時，需要在項目中使用下面3個文件，否則會出現(xiàn)編譯錯誤。 （1） winsock。h： Winsock API的頭文件，需要包含在項目中。 （2） wsock32。lib： Winsock API連接庫文件。在使用中，一定要把它作為項目的非默認的連接庫包含到項目文件中。 （3） winsock。dll： Winsock的動態(tài)連接庫，位于Windows的安裝目錄下。

        【例3.1】下面是一個有連接的編程實例。程序分兩部分： 服務(wù)器端程序和客戶端程序。 （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 �常� int）； #define QLEN5 #defineWSVERSMAKEWORD（2， 0） ……