学懂C++（四十）：网络编程——深入详解 HTTP、HTTPS 及基于 Windows 系统的 C++ 实现

martian6652024-08-24 9:12

目录

一、引言

[二、HTTP 协议](#二、HTTP 协议)

[1. HTTP 概述](#1. HTTP 概述)

[2. HTTP 工作原理](#2. HTTP 工作原理)

[3. HTTP 请求和响应格式](#3. HTTP 请求和响应格式)

[HTTP 请求格式](#HTTP 请求格式)

[4. HTTP 状态码](#4. HTTP 状态码)

[三、HTTPS 协议](#三、HTTPS 协议)

[1. HTTPS 概述](#1. HTTPS 概述)

[2. HTTPS 工作原理](#2. HTTPS 工作原理)

[四、基于 Windows 系统的 C++ 实现](#四、基于 Windows 系统的 C++ 实现)

[1. 准备工作](#1. 准备工作)

[2. HTTP 客户端实现](#2. HTTP 客户端实现)

示例代码

[3. HTTPS 客户端实现](#3. HTTPS 客户端实现)

示例代码

[4. HTTPS 服务器实现](#4. HTTPS 服务器实现)

示例代码

五、总结

一、引言

在现代互联网中，HTTP 和 HTTPS 是两种最常见的应用层协议，用于在客户端（如浏览器）和服务器之间传输数据。理解这两种协议的工作原理、区别及其在 C++ 中的实现，对于网络编程开发者来说至关重要。本文将深入解析 HTTP 和 HTTPS 的基础概念、工作原理及其在 Windows 环境下使用 C++ 进行实现的详细过程。

二、HTTP 协议
1. HTTP 概述

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) 是一种应用层协议，用于分布式、协作式和超媒体信息系统。HTTP 是万维网的数据通信基础，主要特点包括：

  • 无状态：每个 HTTP 请求都是独立的，服务器不保留请求间的状态。
  • 简单灵活：易于实现和扩展，支持多种数据类型。
  • 面向请求/响应模型：客户端发送请求，服务器返回响应。
2. HTTP 工作原理

HTTP 使用 TCP 作为传输层协议，遵循以下典型的请求/响应模型：

  1. 客户端与服务器建立 TCP 连接。
  2. 客户端发送 HTTP 请求，包含请求行、请求头和可选的请求体。
  3. 服务器处理请求并返回 HTTP 响应，包含状态行、响应头和可选的响应体。
  4. 关闭连接或保持连接 ，根据连接的设置（如 Connection: keep-alive）。
3. HTTP 请求和响应格式
HTTP 请求格式
cpp 复制代码 
请求行：方法 URL 版本
请求头：头部字段名: 值
空行
请求体（可选）

示例：

cpp 复制代码 
GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com
User-Agent: Mozilla/5.0

HTTP 响应格式

html 复制代码 
状态行：版本 状态码 状态消息
响应头：头部字段名: 值
空行
响应体（可选）

示例：

html 复制代码 
HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/html
Content-Length: 123

<html>...</html>
4. HTTP 状态码

HTTP 状态码表示服务器对请求的处理结果，常见的状态码包括：

  • 1xx (信息)：请求已接收，继续处理。
  • 2xx (成功) ：请求成功，常见如 200 OK。
  • 3xx (重定向) ：需要进一步操作以完成请求，常见如 301 Moved Permanently。
  • 4xx (客户端错误) ：请求包含语法错误或无法完成，常见如 404 Not Found。
  • 5xx (服务器错误) ：服务器在处理请求时发生错误，常见如 500 Internal Server Error。
三、HTTPS 协议
1. HTTPS 概述

HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure) 是一种通过 SSL/TLS 协议进行加密的 HTTP 协议，用于在客户端和服务器之间建立安全的通信通道。HTTPS 增强了 HTTP 的安全性，主要特点包括：

  • 加密：保护数据在传输过程中不被窃听。
  • 身份验证：验证服务器身份，防止中间人攻击。
  • 数据完整性：确保数据在传输过程中不被篡改。
2. HTTPS 工作原理

HTTPS 使用 SSL/TLS 协议对数据进行加密，典型的工作流程如下：

  1. 客户端发起 HTTPS 连接请求。
  2. 服务器返回 SSL/TLS 证书，包含服务器的公钥。
  3. 客户端验证证书的合法性，生成对称密钥，并使用服务器公钥加密该密钥。
  4. 服务器使用私钥解密密钥，建立加密通信通道。
  5. 客户端与服务器进行加密通信。
四、基于 Windows 系统的 C++ 实现
1. 准备工作

在 Windows 系统上使用 C++ 进行 HTTP 和 HTTPS 通信，可以使用 Windows API 或开源库（如 libcurl）。本文将使用 Windows API 进行示例演示。

2. HTTP 客户端实现
示例代码
cpp 复制代码 
#include <windows.h> // 包含 Windows API 函数和常量
#include <wininet.h> // 包含 Windows Internet 函数
#include <iostream>  // 包含输入输出流
#pragma comment(lib, "wininet.lib") // 链接 wininet 库

int main() {
    // 初始化 Internet 句柄
    HINTERNET hInternet = InternetOpen(L"MyHTTPClient", INTERNET_OPEN_TYPE_DIRECT, NULL, NULL, 0);
    if (!hInternet) {
        std::cerr << "InternetOpen failed: " << GetLastError() << std::endl;
        return -1;
    }

    // 连接到指定的服务器
    HINTERNET hConnect = InternetConnect(hInternet, L"www.example.com", INTERNET_DEFAULT_HTTP_PORT, NULL, NULL, INTERNET_SERVICE_HTTP, 0, 0);
    if (!hConnect) {
        std::cerr << "InternetConnect failed: " << GetLastError() << std::endl;
        InternetCloseHandle(hInternet);
        return -1;
    }

    // 创建一个 HTTP 请求句柄
    HINTERNET hRequest = HttpOpenRequest(hConnect, L"GET", L"/index.html", NULL, NULL, NULL, 0, 0);
    if (!hRequest) {
        std::cerr << "HttpOpenRequest failed: " << GetLastError() << std::endl;
        InternetCloseHandle(hConnect);
        InternetCloseHandle(hInternet);
        return -1;
    }

    // 发送 HTTP 请求
    if (!HttpSendRequest(hRequest, NULL, 0, NULL, 0)) {
        std::cerr << "HttpSendRequest failed: " << GetLastError() << std::endl;
        InternetCloseHandle(hRequest);
        InternetCloseHandle(hConnect);
        InternetCloseHandle(hInternet);
        return -1;
    }

    // 读取服务器响应的数据
    char buffer[4096];
    DWORD bytesRead;
    while (InternetReadFile(hRequest, buffer, sizeof(buffer) - 1, &bytesRead) && bytesRead) {
        buffer[bytesRead] = '\0'; // 添加字符串终止符
        std::cout << buffer; // 输出响应内容
    }

    // 关闭句柄
    InternetCloseHandle(hRequest);
    InternetCloseHandle(hConnect);
    InternetCloseHandle(hInternet);
    return 0;
}

解析：

  1. InternetOpen ：初始化使用 wininet 的应用程序。
  2. InternetConnect：连接到指定的服务器。
  3. HttpOpenRequest：创建一个 HTTP 请求句柄。
  4. HttpSendRequest：发送 HTTP 请求。
  5. InternetReadFile：读取服务器响应的数据。
3. HTTPS 客户端实现
示例代码
cpp 复制代码 
#include <windows.h>  // 包含 Windows API 函数和常量
#include <wininet.h>  // 包含 Windows Internet 函数
#include <iostream>   // 包含输入输出流
#pragma comment(lib, "wininet.lib")  // 链接 wininet 库

int main() {
    // 初始化 Internet 句柄
    HINTERNET hInternet = InternetOpen(L"MyHTTPSClient", INTERNET_OPEN_TYPE_DIRECT, NULL, NULL, 0);
    if (!hInternet) {
        std::cerr << "InternetOpen failed: " << GetLastError() << std::endl;
        return -1;
    }

    // 连接到指定的 HTTPS 服务器
    HINTERNET hConnect = InternetConnect(hInternet, L"www.example.com", INTERNET_DEFAULT_HTTPS_PORT, NULL, NULL, INTERNET_SERVICE_HTTP, 0, 0);
    if (!hConnect) {
        std::cerr << "InternetConnect failed: " << GetLastError() << std::endl;
        InternetCloseHandle(hInternet);
        return -1;
    }

    // 创建一个 HTTPS 请求句柄
    HINTERNET hRequest = HttpOpenRequest(hConnect, L"GET", L"/index.html", NULL, NULL, NULL, INTERNET_FLAG_SECURE, 0);
    if (!hRequest) {
        std::cerr << "HttpOpenRequest failed: " << GetLastError() << std::endl;
        InternetCloseHandle(hConnect);
        InternetCloseHandle(hInternet);
        return -1;
    }

    // 发送 HTTPS 请求
    if (!HttpSendRequest(hRequest, NULL, 0, NULL, 0)) {
        std::cerr << "HttpSendRequest failed: " << GetLastError() << std::endl;
        InternetCloseHandle(hRequest);
        InternetCloseHandle(hConnect);
        InternetCloseHandle(hInternet);
        return -1;
    }

    // 读取服务器响应的数据
    char buffer[4096];
    DWORD bytesRead;
    while (InternetReadFile(hRequest, buffer, sizeof(buffer) - 1, &bytesRead) && bytesRead) {
        buffer[bytesRead] = '\0'; // 添加字符串终止符
        std::cout << buffer; // 输出响应内容
    }

    // 关闭句柄
    InternetCloseHandle(hRequest);
    InternetCloseHandle(hConnect);
    InternetCloseHandle(hInternet);
    return 0;
}

解析： 与 HTTP 客户端的实现类似，主要区别在于：

  • InternetConnect 中使用 INTERNET_DEFAULT_HTTPS_PORT。
  • HttpOpenRequest 中使用 INTERNET_FLAG_SECURE 标志。
4. HTTPS 服务器实现

基于 Windows 的 C++ 实现 HTTPS 服务器相对复杂，通常建议使用开源库（如 OpenSSL）来处理 SSL/TLS 加密。以下是一个简单的 HTTPS 服务器示例，使用 OpenSSL 进行 SSL/TLS 加密。

示例代码
cpp 复制代码 
#include <iostream>     // 包含输入输出流
#include <openssl/ssl.h> // 包含 OpenSSL 函数和常量
#include <openssl/err.h> // 包含 OpenSSL 错误处理函数
#include <unistd.h>     // 包含 POSIX 操作系统 API
#include <netinet/in.h> // 包含网络库
#include <arpa/inet.h>  // 包含网络库

#define PORT 8080
#define CERT_FILE "server.crt" // 证书文件路径
#define KEY_FILE "server.key"  // 密钥文件路径

// 初始化 OpenSSL 库
void init_openssl() {
    SSL_load_error_strings(); // 加载错误字符串
    OpenSSL_add_ssl_algorithms(); // 加载加密算法
}

// 清理 OpenSSL 库
void cleanup_openssl() {
    EVP_cleanup(); // 清理加密算法
}

// 创建 SSL 上下文
SSL_CTX* create_context() {
    const SSL_METHOD *method;
    SSL_CTX *ctx;

    method = SSLv23_server_method(); // 创建服务器方法

    ctx = SSL_CTX_new(method); // 创建新 SSL 上下文
    if (!ctx) {
        perror("Unable to create SSL context");
        ERR_print_errors_fp(stderr);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return ctx;
}

// 配置 SSL 上下文，加载证书和私钥
void configure_context(SSL_CTX *ctx) {
    SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, CERT_FILE, SSL_FILETYPE_PEM); // 加载证书文件
    SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, KEY_FILE, SSL_FILETYPE_PEM); // 加载私钥文件
}

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in addr;

    init_openssl(); // 初始化 OpenSSL
    SSL_CTX *ctx = create_context(); // 创建 SSL 上下文
    configure_context(ctx); // 配置 SSL 上下文

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建套接字
    if (sockfd < 0) {
        perror("Unable to create socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(PORT);
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) { // 绑定套接字
        perror("Unable to bind");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (listen(sockfd, 1) < 0) { // 监听连接
        perror("Unable to listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    while (1) {
        struct sockaddr_in addr;
        uint len = sizeof(addr);
        SSL *ssl;

        int client = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, &len); // 接受客户端连接
        if (client < 0) {
            perror("Unable to accept");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        ssl = SSL_new(ctx); // 创建新 SSL 结构
        SSL_set_fd(ssl, client); // 关联 SSL 结构和客户端套接字

        if (SSL_accept(ssl) <= 0) { // SSL 握手
            ERR_print_errors_fp(stderr);
        } else {
            const char reply[] = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\nHello, HTTPS!";
            SSL_write(ssl, reply, strlen(reply)); // 发送响应
        }

        SSL_shutdown(ssl); // 关闭 SSL 连接
        SSL_free(ssl); // 释放 SSL 结构
        close(client); // 关闭客户端套接字
    }

    close(sockfd); // 关闭服务器套接字
    SSL_CTX_free(ctx); // 释放 SSL 上下文
    cleanup_openssl(); // 清理 OpenSSL
    return 0;
}

解析：

  1. init_openssl：初始化 OpenSSL 库。
  2. create_context：创建 SSL 上下文。
  3. configure_context：配置 SSL 上下文，加载证书和私钥。
  4. socket 、bind 、listen：创建、绑定和监听套接字。
  5. accept：接受客户端连接，使用 SSL 处理加密通信。
五、总结

本文深入解析了 HTTP 和 HTTPS 的基础概念、工作原理及其在 Windows 系统下使用 C++ 进行实现的方法。通过详细的示例代码和解析，展示了如何使用 Windows API 和 OpenSSL 库实现 HTTP 和 HTTPS 客户端及服务器。希望本文能帮助读者更好地理解和掌握 HTTP、HTTPS 及其在 C++ 中的实现，提高网络编程技能。

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