Windows C++网络编程入门：Winsock 2.2 TCP通信核心函数与完整实例剖析

一.网络编程的基本概念

1.IP地址

IP（Internet Protocol）是网络之间互联的协议，也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。参与网络通信的计算机必须有一个唯一的编号，以便能被其它计算机找到，IP地址就是用来给Internet上的计算机一个唯一的编号，目前IP地址有IPv4和IPv6两个版本。以IPv4为例介绍IP地址的格式，IPv4版本的IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个八位的二进制数，每一段的取值为0-255，如“61.135.32.26”，“26.32.54.8”都是合法的IP地址。“127.0.0.0/8”是IPv4定义的本机环回地址，也就是说操作系统内核检测到目标 IP 为127.x.x.x后，数据包会从网络层（IP层）直接折返到接收队列，完全不经过物理网卡、路由表转发以及防火墙的外部链路层规则——这意味着即使你拔掉网线、断开 WiFi，127.0.0.1的通信依然畅通无阻。

2.端口号

一个IP地址对应网络上的一台计算机，但是一台计算机上通常会运行多个网络程序，因此只有IP地址还不够，我们还需要能区分服务器上的每一个网络程序，端口号就是用来区分这些不同的网络程序的。端口号用2个字节的整数表示，所以每台计算机有个端口号，其中系统占用0-1023端口号，要避免使用。

3.TCP

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，它用于在互联网上，为两台设备之间建立可靠的、按顺序的数据传输通道。

4.套接字

套接字（Socket）是TCP/IP网络编程中的基本操作单元，它通过“IP地址+端口号”的组合唯一标识网络中的通信端点，是不同主机进行双向通信的端点。分为流式套接字（SOCK_STREAM）和数据报套接字（SOCK_DGRAM）分别对应TCP和UDP协议。

用打电话来来类比就是：

IP地址 = 对方的电话号码（找到哪台设备）。

端口号（Port） = 分机号或具体联系人（找到设备上的哪个程序，比如微信或浏览器）。

TCP = 电话接通后，双方反复确认“你听得清吗？”的可靠通话机制。

而套接字（Socket），就是你手里拿着的那个“电话听筒”——它是你用来发起通话、接听、挂断以及实际传输语音（数据）的那个操作工具。

二.套接字编程的基本步骤

网络上的两个程序通过一条双向通路实现数据交换，这条双向通路的一端称为一个套接字。

TCP套接字编程包括服务器端编程和客户端编程。

1.服务器端编程步骤

（1）加载套接字库，创建服务器端套接字。

（2）绑定套接字到一个IP地址和端口上。

（3）将套接字设置为监听模式等待连接请求，设置为监听套接字。

（4）请求到来时接受连接请求，返回一个新的专门对应此连接的套接字。

（5）用这个新的套接字与客户进行通信，通信结束就关闭这个套接字。

（6）监听套接字继续处于监听状态，等待其它连接请求。

（7）退出程序，先关闭监听套接字，再释放套接字库。

2.客户端编程步骤

（1）加载套接字库，创建客户端套接字。

（2）向服务器发出连接请求。

（3）连接成功后与服务器进行通信。

（4）退出程序，先关闭套接字，再释放套接字库。

三.网络编程的主要函数

1.WSAStartup()

WSAStartup()函数的功能是初始化Winsock DLL库（动态链接库），该库提供了所有Winsock函数，原型如下。

int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);

参数wVersionRequested指明请求使用的Socket版本，高字节指明副版本，低字节指明主版本。当前主要使用2.2版本的Winsock，对应ws2_32.dll库。

参数lpWSAData用于保存返回的Socket版本信息。

函数调用成功返回0，否则返回错误码。

例如：

WORD wVersionRequested = MAKEWORD(2,0); WSADATA wsaData; int err = WSAStartup(wVisionRequested, &wsaData);

MAKEWORD()函数用于将两个byte型数合并为word型数，第一个参数为低8位，第二个参数为高8位。程序请求2.0版本的Winsock。

2.WSACleanup()

WSACleanup()函数的功能是终止Winsock 2 DLL（ws2_32.dll）的使用，原型如下。

int WSACleanup(void);

函数没有参数。调用成功返回0，失败返回SOCK_ERROR（-1）。

其核心机制是引用计数，Winsock 在进程中维护着一个全局引用计数器。每成功调用一次WSAStartup() ，计数 +1。每成功调用一次WSACleanup()，计数 -1。只有当计数归零（从 1 变为 0）时，系统才会真正执行以下操作：撤销该进程注册的所有网络资源；强制关闭该进程中所有仍处于打开状态的套接字（类似于自动调用closesocket()）；卸载协议链，释放底层内核对象。

3.socket()

socket()函数根据参数指定的地址簇（Address Family，决定套接字如何解读地址以及使用哪一类网络协议进行通信），数据类型和协议来分配一个套接字及其所用的资源，原型如下。

SOCKET WSAAPI socket(int af, int type, int protocol);

参数af为地址簇，也就是IP地址类型，常用的有AF_INET（IPv4地址）和AF_INET6（IPv6地址）。

参数type指定套接字类型，SOCKET_STREAM为流格式套接字，SOCKET_DGRAM为数据报套接字，SOCKET_RAW为原始套接字。

参数protocol表示传输协议，常用的IPPROTO_TCP指定为TCP传输协议，IPPTOTO_UDP指定为UDP传输协议，0表示由系统自行推导协议类型，系统会根据af + type自动匹配协议类型（AF_INET + SOCK_STREAM + 0 = TCP，AF_INET + SOCK_DGRAM + 0 = UDP）。

4.closesocket()

closesocket()函数的功能是将一个套接字关闭，原型如下。

int closesocket(SOCKET s);

参数s是要关闭的套接字。函数成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR。

5.bind()

bind()函数的功能是将IP地址和端口绑定到套接字上，原型如下。

int bind(SOCKET s, const struct sockaddr* name, int namelen);

参数s指定要绑定的套接字。name是指向sockaddr结构体的指针，可由sockaddr_in强制转换。参数namelen是name的长度。函数成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR。

下面来看看sockaddr结构体，其定义如下。

struct sockaddr{ unsigned short sa_family; char sa_data[14]; }；

其中sa_family是两个字节的协议簇，可以是AF_INET或AF_INET6表示IPv4和IPv6。sa_data用于存放IP地址和端口号，一共14个字节。但是sa_data作为一个整体接受IP地址和端口号，并不方便，于是又定义了另一个结构体sockaddr_in，定义如下。

struct sockaddr_in{ short int sin_family; unsigned short int sin_port; struct in_addr sin_addr; unsigned char sin_zero[8]; };

其中sin_family表示地址簇；sin_port表示端口号；sin_addr表示IP地址。其中sin_addr也是结构体占4个字节，这三个成员总共占8个字节，为了和sockaddr具有相同字节数，在最后放8个字节的sin_zero。

结构体in_addr定义如下。

typedef struct in_addr{ union{ struct{ unsigned char s_b1, s_b2, s_b3, s_b4; }S_un_b; struct{ unsigned short s_w1,s_w2; }S_un_w; unsigned long S_addr; }S_un; }IN_ADDR;

只有一个共用体成员，分别表示三种存放IP地址的方法：用四个字节；用两个字；用一个长整形。

可以用inet_pton()函数将一个点分十进制文本的IP地址转化为in_addr类型，函数原型如下。

int inet_pton(int af, const char* src, void* dst);

其中af是地址簇，参数src是点分十进制文本的IP地址，参数dst用于接收转换结果。

函数成功返回1，返回0表示格式无效即传入错误的IP地址文本，返回-1发生错误。

例如：

SOCKADDR_IN serverAddr; serverAddr.sin_family = AF_INET; inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serverAddr.sin_addr); serverAddr.sin_port = htons(8000); if(bind(serverSocket, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr) == -1){ cout<<"绑定失败!!!"<<endl; WSACleanup(); return 0; }

其中htons()函数是将16位整数主机字节序（大端序或小端序）转换为网路字节序（大端序）。

6.listen()

服务器绑定套接字后，再调用listen()函数使套接字进入监听状态，用来监听用户发来的请求。原型如下。

int listen(SOCKET s, int backlog);

参数s为监听套接字，backlog为客户端请求队列的最大长度。函数成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR。

7.accept()

在监听状态下，调用accept()函数进行接受客户端的连接，即取出队列最前面的客户端请求，并创造一个套接字专门与该客户端通信。其函数原型如下。

SOCKET accept(SOCKET s, struct sockaddr* addr, int* addrlen);

参数s为监听套接字。

参数addr用于返回新创建的套接字的地址结构。

参数addlen返回新创建的套接字的地址长度。

函数成功返回新的套接字句柄，失败返回INVALIDE_SOCKET。

8.connect()

connect()函数用于客户端请求与服务器的监听套接字连接，原型如下。

int connect(SOCKET s, const struct sockaddr* name, int namelen);

参数s是要建立连接的客户端套接字。

参数name是服务器套接字的地址信息。

参数namelen是地址结构体的长度。

函数成功返回0，失败返回SOCKET_ERROR。

9.send()

send()函数用于向TCP连接的另一端发送信息。实际上函数将信息送到socket的缓冲区里，真正的发送由协议完成。原型如下。

int send(SOCKET s, const char *buf, int len, int flags);

参数s是发送端的套接字。

参数buf是待发送信息的起始地址。

参数len是请求发送的字节数。

参数flags一般直接填0，表示默认发送行为。

发送成功返回发送的字节数，失败返回SOCKET_ERROR。

10.recv()

recv()函数从TCP连接的另一端接送数据。实际上是从socket的缓冲区将数据复制出来。原型如下。

int recv(SOCKET s, char *buf, int len, int flags);

参数s是接收端的套接字。

参数buf指向接收信息的缓冲区。

参数len是缓冲区大小。

参数flags一般是0。

函数成功返回接收的字节数，失败返回SOCKET_ERROR，连接关闭返回0。

四.服务器端与客户端实例

1.服务器端编程

#include<iostream> #include<WinSock2.h> #include<WS2tcpip.h> #pragma comment(lib, "ws2_32") //加载动态链接库 using namespace std; #define SERVER_ADDR "127.0.0.1" //IP地址 #define SERVER_PORT 8000 //端口号 int main() { //初始化Winsock DLL库 WSADATA wsaData; if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)) { cout << "网络初始化失败!!!" << endl; return 0; } //校验版本 if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 2) { printf("Could not find a usable version of Winsock 2.2!!!\n"); WSACleanup(); return 1; } //创建套接字 SOCKET serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (serverSocket == INVALID_SOCKET) { cout << "创建socket失败!!!" << endl; WSACleanup(); return 0; } //绑定IP和端口 sockaddr_in serverAddr; serverAddr.sin_family = AF_INET; inet_pton(AF_INET, SERVER_ADDR, &serverAddr.sin_addr); serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); if (bind(serverSocket, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == -1) { cout << "绑定失败!!!" << endl; WSACleanup(); return 0; } //开始监听(listen()) if (listen(serverSocket, 5) == INVALID_SOCKET) { cout << "监听失败!!!" << endl; WSACleanup(); return 0; } int i = 0; //记录客户端数量 while (true) { //循环接收数据 sockaddr_in clientAddr = { 0 }; int iLen = sizeof(sockaddr_in); //建立专用的通信套接字 SOCKET clientSocket = accept(serverSocket, (sockaddr*)&clientAddr, &iLen); if (clientSocket == INVALID_SOCKET) { cout << "监听失败!!!" << endl; WSACleanup(); return 0; } ++i; cout << "第" << i << "个客户端已连接!" << endl; char recvData[64] = { 0 }; int ret = recv(clientSocket, recvData, 64, 0); if (ret > 0) { cout << "接收到客户端数据:" << recvData << endl; char sendData[] = "Welcome Client!!!"; ret = send(clientSocket, sendData, sizeof(sendData), 0); if (ret != sizeof(sendData)) { cout << "发送数据错误!!!" << endl; } } else if (ret == 0) { cout << "客户端已断开连接" << endl; } else { cout << "接受数据出错!!!" << endl; } closesocket(clientSocket); //关闭通信套接字 } closesocket(serverSocket); //关闭服务器套接字 WSACleanup(); return 0; }

2.客户端编程

#include<iostream> #include<WinSock2.h> #include<WS2tcpip.h> #pragma comment(lib, "ws2_32") //加载动态链接库 using namespace std; #define SERVER_ADDR "127.0.0.1" //服务器IP地址 #define SERVER_PORT 8000 //服务器端口 int main() { //初始化Winsock DLL库 WSADATA wsaData; if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData)) { cout << "网络初始化失败!!!" << endl; return 0; } //创建套接字 SOCKET s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (s == INVALID_SOCKET) { cout << "创建socket失败!!!" << endl; WSACleanup(); return 0; } //连接服务器(绑定socket到服务器的IP和端口) sockaddr_in serverAddr; serverAddr.sin_family = AF_INET; inet_pton(AF_INET, SERVER_ADDR, &serverAddr.sin_addr); serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); if (connect(s, (sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == -1) { cout << "连接失败!!!" << endl; WSACleanup(); return 0; } //发送数据 char sendData[] = "Hello Server!"; int ret = send(s, sendData, sizeof(sendData), 0); if (ret != sizeof(sendData)) { cout << "发送数据出错!!!" << endl; WSACleanup(); return 0; } //接收数据 char recvData[64] = { 0 }; ret = recv(s, recvData, 64, 0); if (ret > 0) { cout << "接收到服务器数据:" << recvData << endl; } else if (ret == 0) { cout << "客户端已断开连接" << endl; } else { cout << "接收数据出错!!!" << endl; } closesocket(s); //关闭套接字 WSACleanup(); return 0; }

运行时先运行服务器端程序，然后多次运行客户端程序。结果如下。

第1个客户端已连接! 接收到客户端数据:Hello Server! 第2个客户端已连接! 接收到客户端数据:Hello Server! 第3个客户端已连接! 接收到客户端数据:Hello Server! 第4个客户端已连接! 接收到客户端数据:Hello Server! 第5个客户端已连接! 接收到客户端数据:Hello Server! 第6个客户端已连接! 接收到客户端数据:Hello Server!

接收到服务器数据:Welcome Client!!!

写在最后

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——不想干活的十一