14.1 Socket 套接字程式設計入門

lyshark發表於2023-10-11
程式設計

Winsock是Windows作業系統上的套接字API，用於在網路上進行資料通訊。套接字通訊是一種允許應用程式在計算機網路上進行實時資料交換的技術。透過使用Windows提供的API，應用程式可以建立一個套接字來進行資料通訊。這個套接字可以繫結到一個埠，以允許其他應用程式連線它。另外，Winsock可以使用TCP/IP、UDP等協議來完成不同型別的資料傳輸任務。在網路應用程式開發中，套接字通訊可以幫助應用程式開發者實現客戶端/服務端模型，並實現資料的可靠傳輸。

一般套接字通訊需要經歷，建立套接字(Socket)，繫結(Bind)，監聽(Listen)，接受(Accept)，連線(Connect)，傳送資料(Send)，接收資料(Receive)，關閉(Close)等幾個關鍵步驟，當讀者需要使用網路通訊時需引入winsock2.h標頭檔案，並透過#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")包含對應庫，需要注意的是該標頭檔案與windows.h頭衝突，如果兩者同時存在則會出現編譯不透過的情況；

14.1.1 服務端通訊

（1）WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSAData)

當讀者需要使用套接字程式設計時，不論是服務端還是客戶端都需要呼叫WSAStartup初始化套接字型檔，該函式接受兩個引數傳遞，第一個引數一般預設會傳遞MAKEWORD(2, 0) 它是一個宏，用於將兩個8位的位元組合併成一個16位的字，在MAKEWORD(2, 0)中，括號內的數字分別代表高位位元組（2）和低位位元組（0），宏會將它們合併成一個16位的無符號short整型資料，即0000001000000000（二進位制），表示Winsock的版本號為2.0。第二個引數WSADATA結構體，用於Winsock初始化時儲存相關的資訊，一般會在全域性WSADATA WSAData;直接定義得到。

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <WS2tcpip.h>

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

// 定義結構體
WSADATA WSAData;

// 啟動winsock中的WSAStartup()函式對Winsock DLL進行初始化
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSAData) == SOCKET_ERROR)
{
    std::cout << "WSA動態庫初始化失敗" << std::endl;
    return 0;
}

（2）socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)

通訊的第二步則是呼叫Socket()函式，該函式是用於建立一個套接字的系統呼叫。在該函式中，給定三個引數，分別為地址族(Address Family)、套接字型別(Socket Type)和協議(Protocol)，套接字在初始化並完成時會返回一個SOCKET型別的檔案描述符控制程式碼，此處我們將該控制程式碼儲存至server_socket變數內。AF_INET用於指定套接字地址族為IPv4型別，SOCK_STREAM則用於指定該套接字的型別為流式套接字，用於面向連線的可靠資料傳輸(TCP協議)。

// 服務程式建立套接字控制程式碼（用於監聽）
SOCKET server_socket;

// 呼叫socket()函式建立一個流套接字，引數（網路地址型別，套接字型別，網路協議）
if ((server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == ERROR)
{
  std::cout << "Socket 建立失敗" << std::endl;
  WSACleanup();
  return 0;
}

（3）bind(server_socket, (LPSOCKADDR)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr))

套接字程式設計的第三步則是繫結，套接字的繫結需要呼叫bind()函式實現，該函式接受三個引數傳遞，第一個引數是socket()中建立的套接字檔案描述符控制程式碼，該引數用於指定針對哪一個套接字進行操作，第二個引數則是sockaddr_in型別的結構體，該結構體內用於指定需要繫結套接字的具體型別引數等資訊，在如下程式碼中我們透過ServerAddr.sin_family = AF_INET;將套接字型別設定為了網際網路域模式，透過ServerAddr.sin_port = htons(9999);指定了需要繫結的埠號，而ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");則用於指定了要繫結本機的那個網口，一般而言如果讀者需要在本機使用此處可填入127.0.0.1而如果偵聽任意一個網口則可使用0.0.0.0，第三個引數則是傳入結構體的長度，此處透過sizeof(ServerAddr)方法得到，最終將結構體ServerAddr直接填入繫結函式即可實現對網路套接字的繫結。

// 結構sockaddr_in用來標識TCP/IP協議下的地址，可強制轉換為sockaddr結構
struct sockaddr_in ServerAddr;

// 欄位sin_family必須設為AF_INET，表示該Socket處於Internet域
ServerAddr.sin_family = AF_INET;

// 欄位sin_port用於指定服務埠，注意避免衝突
ServerAddr.sin_port = htons(9999);

// 欄位sin_addr用於把一個IP地址儲存為一個4位元組，無符號長整型，根據不同用法還可表示本地或遠端IP地址
// 該欄位可以直接使用INADDR_ANY代表偵聽所有地址，也可指定地址
ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");

// 呼叫bind()函式將本地地址繫結到所建立的套接字上，以在網路上標識該套接字
if (bind(server_socket, (LPSOCKADDR)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr)) == SOCKET_ERROR)
{
  std::cout << "繫結套接字失敗" << std::endl;
  closesocket(server_socket);
  WSACleanup();
  return 0;
}

（4）listen(server_socket, 10)

當套接字被繫結後，接下來則是偵聽套接字，透過呼叫listen()函式將套接字置入監聽模式並準備接受連線請求，該函式需要傳入兩個引數，引數1為套接字套接字控制程式碼，引數二為偵聽套接字最大連線數，如果進入偵聽狀態則說明該套接字是等待連線狀態，一旦伺服器接受了連線，它可以使用返回的套接字物件與發起連線的客戶端進行通訊。

// 將 ServerAddr.sin_addr 網路位元組序,轉為本機偵聽IP地址
char local_address[20];
inet_ntop(AF_INET, &ServerAddr.sin_addr, local_address, 16);
std::cout << "偵聽本地地址: " << local_address << " 偵聽本地埠: " << ntohs(ServerAddr.sin_port) << std::endl;

// 引數（已捆綁未連線的套接字描述字，正在等待連線的最大佇列長度）
if (listen(server_socket, 10) == SOCKET_ERROR)
{
  std::cout << "偵聽套接字失敗" << std::endl;
  closesocket(server_socket);
  WSACleanup();
  return 0;
}

（5）accept(server_socket, (LPSOCKADDR)0, (int*)0)

當一個套接字進入偵聽狀態後則下一步是需要等待有客戶端連線到本端，當伺服器透過呼叫listen()函式開始監聽連線請求時，客戶端可以透過使用connect()函式嘗試與伺服器建立連線。一旦客戶端傳送連線請求，伺服器將收到通知。然後伺服器可以使用accept()函式接受連線請求並建立一個新的套接字物件，該物件可以用於與客戶端進行通訊。

accept() 函式通常在一個迴圈中使用，以便伺服器可以在等待新連線時繼續處理已連線的客戶端。每次呼叫accept()函式時，如果有連線請求，則函式將阻塞直到一個連線請求被接受。一旦連線請求被接受，函式將返回一個新的套接字物件和客戶端的地址資訊。

在接受連線請求並建立新的套接字物件之後，伺服器可以使用該物件與客戶端進行通訊。同時，伺服器可以使用原始的server_socket套接字物件來等待更多的連線請求，以便能夠接受更多的客戶端連線。

如下的程式碼中當accept()接收到等待訊息時，則會將該控制程式碼儲存至message_socket變數內，此時使用者只需要向該指標中傳送recv()或接收send()資料即可，此時套接字通訊即可正式被建立起來。

// 資料接收緩衝區
SOCKET message_socket;
char buf[8192] = {0};
while (1)
{
  // 進入監聽狀態後，呼叫accept()函式接收客戶端的連線請求，並把連線傳給msgsock套接字
  // 原sock套接字繼續監聽其他客戶機連線請求
  if ((message_socket = accept(server_socket, (LPSOCKADDR)0, (int*)0)) == INVALID_SOCKET)
  {
    continue;
  }

  // 初始化資料接收緩衝區
  memset(buf, 0, sizeof(buf));
   
  // 接收客戶端傳送過來的資料
  bool ref = recv(message_socket, buf, 8192, 0);
  if (ref != 0)
  {
    std::cout << "接收資料: " << buf << std::endl;
  }
  
  // 關閉子套接字
  closesocket(message_socket);
}

至此我們的服務端將被執行起來，需要注意的是服務端程式如果需要結束本次會話則需要手動呼叫closesocket(server_socket);關閉一個套接字控制程式碼，當整個程式執行結束後讀者還需要呼叫WSACleanup()終止對Winsock DLL的使用，並釋放資源。

14.1.2 客戶端通訊

對於客戶端通訊而言其流程與服務端通訊基本保持一致，該流程分別是，建立套接字，連線到伺服器，建立連線，傳送資料，關閉連線，對於初始化部分客戶端通訊與服務端沒有任何區別，唯一的區別在於對於服務端而言一般是使用listen()函式偵聽套接字，而對於客戶端而言則是使用connect()函式連線到服務端，一旦連線建立成功，客戶端可以透過向伺服器傳送資料來與伺服器進行通訊。

在呼叫connect(socket_addr)時，需要傳遞一個引數sockaddr。sockaddr 是一個結構體，包含了客戶端與伺服器的地址資訊，包括其IP地址和埠號。在C/C++中，sockaddr 結構體通常被定義為sockaddr_in結構體，包含了IP地址和埠號等資訊。如果連線建立成功，connect() 函式將返回 0。如果連線失敗，則會返回一個錯誤程式碼，其中最常見的錯誤是連線超時或目標主機拒絕連線。

一旦連線建立成功，客戶端可以使用新建立的套接字物件向伺服器傳送資料，並使用recv()函式從伺服器接收資料。一般來說，在與伺服器進行通訊之前，客戶端套接字需要使用bind()函式指定一個本地地址和埠，以確保資料可以正確地傳輸。

int main(int argc, char* argv[])
{
  char buf[8192] = { 0 };

  while (1)
  {
    std::cout << "傳送資料: ";
    int inputLen = 0;
    memset(buf, 0, sizeof(buf));

    // 輸入以Enter鍵為結束標識
    while ((buf[inputLen++] = getchar()) != '\n'){ ; }

    // 初始化
    WSADATA WSAData;
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSAData) == SOCKET_ERROR)
    {
      continue;
    }

    // 建立套接字
    SOCKET client_socket;
    if ((client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == SOCKET_ERROR)
    {
      WSACleanup();
      continue;
    }

    // 填充通訊結構體
    struct sockaddr_in ClientAddr;
    ClientAddr.sin_family = AF_INET;
    ClientAddr.sin_port = htons(9999);
    ClientAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    // 連線到服務端
    if (connect(client_socket, (LPSOCKADDR)&ClientAddr, sizeof(ClientAddr)) == SOCKET_ERROR)
    {
      closesocket(client_socket);
      WSACleanup();
      continue;
    }

    // 向服務端傳送資料
    send(client_socket, buf, 8192, 0);

    // 關閉套接字
    closesocket(client_socket);
    WSACleanup();
  }

  return 0;
}

讀者可自行執行上述程式，啟動服務端與客戶端，併傳送測試資料觀察變化，當傳送資料後讀者應該能看到如下圖所示的提示資訊；

本文作者： 王瑞
本文連結： https://www.lyshark.com/post/83cf7258.html
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