C++网络编程 TCP套接字基础知识，利用TCP套接字实现客户端-服务端通信

1. TCP 套接字编程流程

1.1 概念

流式套接字编程针对TCP协议通信，即是面向对象的通信，分为服务端和客户端两部分。

1.2 服务端编程流程：

1）加载套接字库（使用函数WSAStartup()），创建套接字（使用socket()）

2）绑定套接字到一个IP地址和一个端口上（使用函数bind()）

3）将套接字设置为监听模式等待连接请求（使用函数listen()），监听套接字即完成

4）请求到来后，接收连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字（accept()）

5）使用新的套接字和客户端进行通信，发送和接收数据（send()或recv()），通信结束就关闭这个新创建的套接字（closesocket()）

6）若要退出服务器程序，应先关闭监听套接字（使用函数closesocket()），再释放加载的套接字库（使用函数WSACleaup()）

1.3 客户端编程步骤：

1）加载套接字（使用函数WSAStartup），创建套接字（使用函数socket）

2）先服务器发送请求（使用函数connect）

3）和服务端进行通信，及发送或接收数据（使用函数send或recv）

4）若要关闭客户端，先关闭套接字（使用函数closesocket）,再释放加载的套接字库（使用函数WSACleanup）

2. 协议簇和地址簇

2.1 协议族

不同协议的集合，用来标识不同的协议

3. socket套接字

一个套接字代表通信的一端，socket套接字包含了IP地址和端口信息，IP地址能从网络中识别主机，端口能识别主机上的进程。

4.TCP套接字相关函数

2.0版本的window API函数的声明在window2.h中，在Ws2_32.dll中实现。

|-----------------------------------------------------------------------------|-----------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------|
| 1.WSAStartup(WORD wVersionRequseted,LPWASDATA) | 用于初始化Windsock库 | WORD参数用于指定Winsock规范的版本 lpWSAData参数返回请求的socket版本信息 |
| 2. socket(int af,int type,int protocol); | 用于创建套接字 | af参数用于指定所使用的协议簇 type参数用于指定套接字类型 protocol参数指定应用程序所使用的通信协议,例如TCP、UPD协议 |
| 3. bind(SOCKET s,const struct sockaddr name, int namelen) | 将本地地址信息关联到一个套接字身上 | s参数标识一个带绑定的套接字描述符 name参数为指向sockaddr的指针，结构体中包含了IP地址和端口号 namelen确定缓冲区长度 |
| 4.listen(socket s,int backlog) | 用于服务端的流套接字，让套接字处于监听状态 | s参数表示一个流套接字的描述符 backlog参数表示连接请求队列客户连接的最大数量 |
| 5. accept(SOCKET s,struct sockaddr *addr,int *addelen)或 WSAAccept() | 取出客户端请求队列中最前面的请求，并创建一个新的套接字保持与客户套接字进行连接 | s参数表示为处于监听状态的流套接字描述符 addr参数返回新创建的套接字地址结构 addrlen参数指向结构sockaddr的长度99 |
| 6. connnet(SOCKET s,const struct sockaddr *name,int namelen) 或WSAConnect() | 客户端使用connect函数与服务端的监听套接字建立连接，连接成功则返回0 | s参数表示还未建立连接的套接字描述符 name参数表示对方套接字的地址 namelen参数表示name所指向的缓存区大小 |
| 7. send(SOCKET s,const char *buf,int len, int flags)或WSASend() | 用于在建立连接的socket上发送数据，客户端和服务端都可以使用 | s参数为发送端套接字的描述符 buf存放应用程序要发送数据的缓存区 len参数为缓存区的大小 flags参数一般设置为0 |
| 8. recv(SOCKET s,char * buf,int len,int flags) 或WSARecv() | 从连接的或未连接的套接字中接收数据 | s参数为已连接或绑定（针对无连接）的套接字的描述符 buf为缓存区 len为缓存区的大小 flags一般为0 |
| 9. closesocket(SOCKET s) | 用于关闭套接字 | s参数为要关闭的套接字，关闭成功者返回0 |
| 10. inet_addr(const char * cp) | 用于将点分字符串的ip地址转化为无符号长整型 | cp参数指向一个ip地址的字符串 |
| 11. inet_ntoa(struct in_addr in) | 用于将in_addr结构体中的ip地址转化为点分ip地址 | in参数是in_addr结构类型的ip地址 |
| 12. htonl(u_long hostlong) | 将一个u_long类型的主机字节序转化为网络字节序（大端） | hostlong参数表示要转化为网络字节序的数据 |
| 13. htons(u_short hostshort) | 将一个u_short类型的主机字节序转化为网络字节序（大端） | hostshort参数表示要转化为网络字节序的数据 |
| 14. WSAAsyncSelect(SOCKET s, HWND hWnd, unsigned int, int wMsg,long lEvent) | 将某个套接字的网络事件关联到窗口上，以便从窗口上接收网络事件的信息通知 | s参数为套接字描述符 hWnd为网络事件发生时，用于接收信息的窗口句柄 wMsg为网络事件发生时所接收的信息 lEvent参数应用程序感兴趣的比特组合码 |
| 15. WSACleanup() | 解除与Winsock库绑定并释放Winsock库所占用的系统资源 | |

5. TCP套接字编程

阻塞套接字模式适用场景：能够立即发送和接收数据且处理的套接字数量较少。缺点：在大量建立好的套接字线程之间进行通信时比较困难，扩展性差

6.数据发送和数据接收的缓冲区

第一个缓冲区（应用程序缓冲区）

第二个缓冲区（TCP套接字缓冲区）：处于内核协议栈中，也称为内核缓冲区。发送的数据要从应用程序缓冲区复制到协议栈中的套接字缓冲区，后将套接字缓冲区中的数据发送打网络上。

TPC数据传输的特点：

1）TCP是流协议，接收者收到的数据是一个个字节流，没有消息边界

２）真正发送多少数据由内核根据当前网络状态决定

３）真正发送数据的事件点也由内核协议栈根据当前网络状态决定

４）接收端在调用接收函数时并不知道recv函数会返回多少数据

数据发送的6种情形：发送数据A和数据B

1）网络情况良好，A和B没有受到发送窗口、拥塞窗口和TCP最大传输单元影响

2）发送数据A时，网络状况不好，数据A发送延迟，协议栈将数据A和数据B合并为一个数据端再发送，并且合并后的数据长度没有超过窗口大小和最大传输单元

3）发送数据A时产生延迟，协议栈将数据A和数据B合并，超过TCP传输最大单元，数据A较小，切割发生在数据B身上

4）发送数据A时产生延迟，协议栈将数据A和数据B合并，超过TCP传输最大单元，数据A较大，切割发生在数据A身上

5）接收窗口较小，内核协议栈将缓冲区中的数据按照接收方向进行依次切分

6）发送过程中出现错误，数据发送失败

7. I/O控制命令

套接字的I/O控制用来设置套接字的工作模式（阻塞模式或者非阻塞模式）

1）iocltsocket()函数和WSAIoct 1中来发送I/O 控制命令

int icotlsocket(SOCKET s,long cmd, u_long *argp) // winsocket版的函数

---

参数说明

参数s为设置I/O模式的套接字描述符

参数cmd表示发给套接字的I/O控制命令，取值如下：

1）FIONBIO：表示设置或清除阻塞模式的命令，当argp=0时，套接字为阻塞模式，argp为非0时，套接字为非阻塞模式

WSAAsynSelect()函数会自动将套接字设置为非阻塞模式，此时并不能通过icotlsocket()函数将套接字设置为阻塞模式

2）FIONREAD:用于确定套接字s自动读入数据量的命令。若s是流式套接字，则argp得到函数recv调用一次可读入的数据量；

若s是数据报套接字，则argp返回套接字排队的第一个数据报的大小。

3）FIOASYNC：表示设置或清除异步I/O的命令

2）WSAIoctl是Winsock 2中的I/O控制命令的函数，功能更为强大。函数执行成功返回0，否则返回SOCKET---ERROR，可用WSAGetLastError获取错误码

int WSAIoctl(SOCKET s,DWORD dwIoControlCode,LPVIOID IpvInBuffer,DWORD cbInBuffer, LPVOID lpvOutBuffer,DWORD cdOutBuffer, LPDWORD lpcbByteReturned,···)

参数说明

s 套接字描述符

dwIoControCode 存放用于操作的控制码

lpInBuffer 指向输入缓冲区地址

cbInBuffer 指向输入缓冲区大小

lpInBuffer 输出缓冲区地址

cbInBuffer 输出缓冲区大小

IpcbBytesReturned 指向存放实际输出数据的字节大小的变量地址

IpOverlapped 指向WSAOVERLAPPED结构体的地址

IpCompletionRoutine 指向一个例程函数，该函数会在操作结束后调用

8. 获取套接字选项

概念：套接字不仅可以通过I/O 控制命令来设置套接字，还可以通过设置套接字的选项来进一步对套接字进行控制，比如：

1）设置套接字的接收或发送缓冲区大小

2）指定是否允许套接字绑定到一个已经使用过的地址

3）判断套接字是否支持广播

4）控制带外数据的处理、获取和设置超时参数

选项级别：

SOL_SOCKET 该级别的选项与套接字的具体协议无关，只作用于套接字本身

SOL_LPLMP 作用于IrDA协议

IPPROTO_IP 作用于IPv4协议

IPPROTO_IPV6 作用于IPv6协议

IPPROTO_RM 作用于可靠的多播传输

IPPROTO_TCP 使用于流式套接字

IPPROTO_UDP 适用于数据报套接字

获取套接字选项：

int getsockopt(SOCKET s, int level, int optname, char* optval, int* optlen);

参数说明

s 套接字描述符

参数level 表示选项的级别

optname 表示要获取的选项名称

optval 指向存放接收到的选项内容的缓冲区

9. 设置套接字选项

Winsock提供了setsockopt来设置套接字选项

int setsockopt(SOCKET s,int level, int optname, const char* optval, int optlen)

参数说明

s 套接字描述符

level 选项的级别

optname 获取选项的名称

optval 指向存放要设置的选项值的缓冲区

opelen 缓冲区的大小

10.代码

服务端代码：

#include<iostream>
#include<WinSock2.h>
#include<WS2tcpip.h>
#include<string>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#pragma warning(disable:4996)
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS		// 为适用inet_ntoa时不出现警告
using namespace std;

int main()
{
	WORD wVersionRequested;
	WSADATA wsaData;
	int err;

	wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);		// 制作Winsock库的版本号
	err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);	// 初始化winsock库
	if (err != 0) return 0;
	
	// 判断返回的版本号时候正确
	if(LOBYTE(wsaData.wVersion)!=2 || HIBYTE(wsaData.wVersion)!=2){
		WSACleanup();
		return 0;
	}
	// 创建套接字，用于监听客户端的连接
	SOCKET sockSrv = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	SOCKADDR_IN addrSrv;
	addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);	// 适用主机任何可用的ip
	// 适用ipv4的协议簇
	addrSrv.sin_family = AF_INET;
	addrSrv.sin_port = htons(8000);		// 服务端的端口

	bind(sockSrv, (SOCKADDR*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR));	// 绑定
	listen(sockSrv, 5);		// 开启监听状态

	SOCKADDR_IN addrClient;
	int len = sizeof(SOCKADDR);
	
	while (1) {
		cout << "等待客户端" << endl;
		// 从连接队列中取出最靠前的一个客户端请求，如果队列为空则阻塞
		SOCKET sockConn = accept(sockSrv, (SOCKADDR*)&addrClient, &len);
		char sendBuf[1001];
		sprintf_s(sendBuf, "欢迎登录服务端（%s）", inet_ntoa(addrClient.sin_addr));		// 组成字符串
		send(sockConn, sendBuf, strlen(sendBuf) + 1, 0);
		char recvBuf[100];
		recv(sockConn, recvBuf, 100, 0);		// 接收客户端信息
		cout << "接收到客户端信息:" << recvBuf << endl;		// 打印客户端信息
		puts("是否监听:y/n");
		char ch[2];
		cin >> ch;
		if (tolower(ch[0]) == 'n') {
			break;
		}
		closesocket(sockSrv);
		WSACleanup();
	}
	system("pause");
	return 0;
}

客户端代码：

#include "pch.h"
#include <iostream>
#include<WinSock2.h>
#include<WS2tcpip.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#pragma warning(disable:4996)
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS		// 为适用inet_ntoa时不出现警告

int main()
{
    std::cout << "Hello World!\n"; 
	WORD wVersionRequested;
	WSADATA wsaData;
	int err;

	wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);		// 初始化Winsock库
	err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
	if (err != 0) {
		return 0;
	}
	// 判断返回的版本号是否正确
	if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 2) {
		WSACleanup();
		return 0;
	}

	SOCKET sockClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);	// 创建一个套接字
	SOCKADDR_IN addrSrv;
	addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");	// 服务器的ip
	addrSrv.sin_family = AF_INET;
	addrSrv.sin_port = htons(8000);		// 服务端的端口

	err = connect(sockClient, (SOCKADDR*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR));
	if (SOCKET_ERROR == err) {
		std::cout << "服务器连接错误，请检查服务器是否启动！" << std::endl;
		return 0;
	}

	char recvBuf[100];
	recv(sockClient, recvBuf, 100, 0);		// 接收来自服务端的信息
	std::cout << "收到来自服务端的信息：" << recvBuf << std::endl;
	send(sockClient, "你好，我是客户端发送的信息", strlen("你好，我是客户端发送的信息") + 1,0);
	
	closesocket(sockClient);
	WSACleanup();		// 释放套接字

	system("pause");
	return 0;

}