Winsocket編程基礎(chǔ)

1、一、網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)1.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把分布在不同地點(diǎn)且具有獨(dú)立功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過通信設(shè)備和線路連接起來，在功能完善的軟件和協(xié)議的管理下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中資源共享。在工控領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及控制信息的發(fā)送都依賴于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。1.2、網(wǎng)絡(luò)參考模型為什么要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)？在計(jì)算機(jī)通信過程中需要通信協(xié)議，但因傳輸介質(zhì)的不同、計(jì)算機(jī)本身的差異以及數(shù)據(jù)格式的不同等因素，致使網(wǎng)絡(luò)通信相當(dāng)復(fù)雜，為了降低復(fù)雜性，OSI提出了協(xié)議分層的參考模型，即OSI七層互聯(lián)參考模型。因?yàn)镺SI的網(wǎng)絡(luò)模型標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格，另外推出的時(shí)間也相對(duì)較晚，所以目前還沒有完全按照OSI模型實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)。TCP/IP是

2、目前實(shí)際應(yīng)用最廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)模型，在這個(gè)模型中，不只是劃分了功能層，還有具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，即協(xié)議。TCP和IP就是這個(gè)模型中最重要的兩個(gè)層次的代表協(xié)議。 1.2.1、OSI和TCP/IP參考模型在網(wǎng)絡(luò)的不同分層中有不同的協(xié)議，計(jì)算機(jī)只能在同一層次上進(jìn)行通信，如下圖：雖然TCP/IP不是完全符合OSI的參考模型，但在層次上也存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，如下圖：1.2.2、數(shù)據(jù)流向在網(wǎng)絡(luò)的層次模型中，每一層與相鄰層之間都留有接口，較低層通過接口為上一層提供服務(wù)，中間層就像個(gè)翻譯一樣，如下圖為經(jīng)典的中德教師的對(duì)話過程：在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型中，數(shù)據(jù)在從應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)接口層（鏈路層）傳遞的過程中，每經(jīng)過一層都要加入該

3、層的相應(yīng)的協(xié)議內(nèi)容，這樣數(shù)據(jù)在鏈路層形成了完整的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包到達(dá)接收方后，數(shù)據(jù)包從鏈路層到應(yīng)用層進(jìn)行逐層解析，在接收方應(yīng)用層解析得到的數(shù)據(jù)就是發(fā)送方在應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層封裝和解析的過程如下圖：1.2.3、IP分類IP地址在網(wǎng)絡(luò)層中定義，長(zhǎng)度為32個(gè)二進(jìn)制位，分為4段，每段8位，用于主機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識(shí)，IP地址有兩部分組成，一部分為網(wǎng)絡(luò)地址，另一部分為主機(jī)地址。IP地址分為A、B、C、D、E 共5類，具體如下： A 類： |0| + 網(wǎng)絡(luò)號(hào)7位+主機(jī)號(hào)24位 -55 B 類： |1 0|+網(wǎng)絡(luò)號(hào)14位+主機(jī)號(hào)16位 -

4、55 C 類： |1 1 0|+網(wǎng)絡(luò)號(hào)21位+主機(jī)號(hào)8位 -55 D 類： |1 1 1 0|+網(wǎng)絡(luò)號(hào)28位多播組號(hào) -55 E 類： |1 1 1 1 0|+27位留待后用 在使用IP地址進(jìn)行通信時(shí)，可分為單播、組播和廣播三種通信方式。單播即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的通信；組播，又稱多播，常用于視頻會(huì)議，由一個(gè)節(jié)點(diǎn)向指定的一組節(jié)點(diǎn)逐個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)，多播使用D類IP地址。廣播類似組播，只是它不區(qū)分子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，也就是對(duì)所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此占用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬，廣播使用固定的IP” 25

5、55”。1.3、軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)，即大家熟知的客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)服務(wù)器和客戶端進(jìn)行合理的分配任務(wù)，一方面可以減少網(wǎng)絡(luò)通信的開銷，另一方面降低了服務(wù)器的壓力，在這種結(jié)構(gòu)下，客戶端相對(duì)獨(dú)立地分擔(dān)了一些任務(wù)，使其功能豐富，換個(gè)角度也稱這樣的客戶端為胖客戶端。B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是隨著Internet技術(shù)的興起，對(duì)C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)，用戶通過WWW瀏覽器獲取需要的服務(wù)，因極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）

6、實(shí)現(xiàn)，因此也可稱為瘦客戶端。在工控領(lǐng)域，一二級(jí)控制系統(tǒng)因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高，一般都采用C/S結(jié)構(gòu)，而高層的信息管理系統(tǒng)大多采用B/S結(jié)構(gòu)。二、SOCKET編程2.1、SOCKET概述SOCKET是在TCP/IP協(xié)議下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的接口，在編寫網(wǎng)絡(luò)軟件時(shí)，用戶不用關(guān)系底層協(xié)議是如何實(shí)現(xiàn)的，SOCKET提供了一些API使網(wǎng)絡(luò)編程變得相對(duì)簡(jiǎn)單。SOCKET是由伯克利大學(xué)分校設(shè)計(jì)，最早主要用于在UNIX進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，微軟在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，稱其為WinSocket，擴(kuò)展的socket API一般都以WSA開頭，在windows上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，基本的socket函數(shù)和擴(kuò)展的socket函數(shù)都可以

7、使用。2.2、同步（阻塞）/異步（非阻塞）同步是指計(jì)算機(jī)的IO操作不能同時(shí)進(jìn)行，也就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核在進(jìn)行IO操作時(shí)，線程處于等待狀態(tài)（阻塞），在內(nèi)核完成IO操作后，等待的線程才繼續(xù)執(zhí)行。異步是相對(duì)于同步而言，線程在向系統(tǒng)內(nèi)核提出IO操作請(qǐng)求后繼續(xù)執(zhí)行，線程通過內(nèi)核定義的信號(hào)狀態(tài)判斷IO操作是否完成。同步IO操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但異步IO會(huì)使整個(gè)軟件有更高的性能，但開發(fā)難度較大。2.3、基本開發(fā)步驟TCPUDP三、網(wǎng)絡(luò)IO模型Winsock提供了五種 IO模型：選擇（Select）、異步選擇（WSAAsyncSelect）、事件選擇（WSAEventSelect）、重疊I/O（Overlapped

8、I/O）和完成端口（Completion Port)共五種I/O模型。每種模型都有各自的特點(diǎn)，應(yīng)用程序應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的IO模型。1. 選擇模型之所以叫做“選擇”模型，是因?yàn)樵撃Ｐ鸵詓elect函數(shù)為核心，該模型最初主要是面向UNIX操作系統(tǒng)，使用該模型可以避免程序阻塞或在非阻塞模式下IO操作返回錯(cuò)誤。如果你選擇的是同步socket，讀寫操作會(huì)被阻塞，這可以通過多線程來解決，但是如果有多個(gè)socket需要進(jìn)行讀寫，使用多線程的方法就十分有限了。選擇異步socket不會(huì)阻塞，但在socket不可操作時(shí)進(jìn)行讀寫會(huì)返回錯(cuò)誤，而且也不知何時(shí)socket才能可以讀寫，輪詢的方式又會(huì)降低程序的性能，

9、使用select則可以解決這樣的問題。在這個(gè)模型中，你可以通過select函數(shù)選擇你所關(guān)心的socket，select會(huì)為你監(jiān)聽你所關(guān)心的socket的狀態(tài)，直到這些socket可以操作select才返回。下面給出一個(gè)典型的選擇模型開發(fā)步驟：2. 異步選擇模型在這個(gè)模型中，應(yīng)用程序可以在socket上接收以windows消息為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)事件通知，根據(jù)通知內(nèi)容進(jìn)行執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如果你在開發(fā)一個(gè)界面應(yīng)用程序，希望處理網(wǎng)絡(luò)事件像處理一般的消息一樣，選擇這個(gè)模型就非常合適。這個(gè)模型中的關(guān)鍵函數(shù)為WSAAsyncSelect，原型如下：int WSAAsyncSelect ( SOCKET s, /你

10、所關(guān)注的socket句柄 HWND hWnd, /用于接收socket消息的窗口句柄 unsigned int wMsg, /一個(gè)你自己定義的消息，網(wǎng)絡(luò)事件以此消息通知 long lEvent /網(wǎng)絡(luò)事件掩碼);這個(gè)函數(shù)將socket和窗口通過消息建立關(guān)聯(lián)，在socket上有事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將該函數(shù)指定的消息發(fā)送給該函數(shù)所指定窗口，然后系統(tǒng)再調(diào)用窗口過程處理該消息。在窗口收到的消息中，wParam 就是socket句柄 ，lParam代表網(wǎng)絡(luò)事件和錯(cuò)誤代碼，window提供兩個(gè)宏：WSAGETSELECTERROR(lParam) 提取錯(cuò)誤代碼，通過WSAGetLastError可以獲得錯(cuò)誤

11、信息；WSAGETSELECTEVENT(lParam)提取網(wǎng)絡(luò)事件，網(wǎng)絡(luò)事件常用的有FD_READ|FD_WRITE|FD_CLOSE|FD_ACCEPT|FD_CONNECTION等，這樣我們收到一個(gè)socket消息后，就知道了在哪個(gè)socket上發(fā)生了什么事件。3. 事件選擇模型異步選擇模型以處理窗口消息的方式處理網(wǎng)絡(luò)事件，對(duì)于開發(fā)窗口程序比較方便，而對(duì)于一個(gè)沒有窗口的程序則需要建立一個(gè)隱藏窗口。針對(duì)異步選擇模型的不足，WinSocket提供了事件選擇模型，該模型與異步選擇模型類似，只不過它是基于內(nèi)核事件而異步選擇模型基于窗口。我們通過WSAEventSelect將socket與內(nèi)核事件

12、建立關(guān)聯(lián)，原型如下：int WSAEventSelect ( SOCKET s, /socket WSAEVENT hEventObject, /內(nèi)核事件 long lNetworkEvents /網(wǎng)絡(luò)事件);WinSocket對(duì)內(nèi)核事件進(jìn)行了封裝，如將CreateEvent 封裝為WSACreateEvent，將HANDLE封裝為WSAEVENT，兩者使用方法類似。WSAEVENT 與EVENT一樣有兩種狀態(tài)：有信號(hào)、無信號(hào)，等待事件信號(hào)的方法也類似，普遍的EVENT使用WaitForMultipleObjects，而等待WSAEVENT信號(hào)使用WSAWaitForMultipleEvent

13、s，原型如下：DWORD WSAWaitForMultipleEvents( DWORD cEvents, /第二個(gè)參數(shù)WSAEVENT 的總數(shù) const WSAEVENT FAR *lphEvents, / WSAEVENT指針，通過數(shù)組傳入多個(gè) BOOL fWaitAll, /是否等待全部事件都有信號(hào)才返回 DWORD dwTimeOUT, /超時(shí) BOOL fAlertable /在該模型中不用，固定設(shè)為FALSE);如何知道是哪個(gè)socket發(fā)生事件？用WSAWaitForMultipleEvents的返回值減去WSA_WAIT_EVENT_0就是第二個(gè)參數(shù)lphEvents指向的數(shù)

14、組標(biāo)號(hào)，為此要將保存的socket句柄數(shù)組和事件數(shù)組一一對(duì)應(yīng)，知道數(shù)組標(biāo)號(hào)，也就知道了發(fā)生事件的socket。知道了哪個(gè)socket，如何知道在這個(gè)socket上發(fā)生了什么事件？通過函數(shù)WSAEnumNetworkEvents 可以獲得，原型如下：int WSAEnumNetworkEvents ( SOCKET s, WSAEVENT hEventObject, LPWSANETWORKEVENTS lpNetworkEvents );前兩個(gè)參數(shù)我們已經(jīng)知道，第三個(gè)參數(shù)為WSANETWORKEVENTS的結(jié)構(gòu)體指針，該結(jié)構(gòu)體定義如下：typedef struct _WSANETWORKEVE

15、NTS long lNetworkEvents;/事件代碼 int iErrorCodeFD_MAX_EVENTS;/錯(cuò)誤代碼 WSANETWORKEVENTS, FAR * LPWSANETWORKEVENTS;將事件與“求與”如FD_READ， 如果結(jié)果非零，則說明該事件發(fā)生了if (FD_READ & tNetEvents.lNetworkEvents)/ 收到數(shù)據(jù)if (0 != tNetEvents.iErrorCodeFD_READ_BIT) /錯(cuò)誤代碼 4. 重疊IO模型與之前的IO模型相比，重疊IO模型具有較高的讀寫效率，在投遞一個(gè)IO操作后，系統(tǒng)直接操作應(yīng)用程序中的緩

16、沖區(qū)，而不是先操作socket緩沖區(qū)之后再拷貝到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)。該模型效率高，但使用上也比較復(fù)雜，比較適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集或者在傳輸大的文件時(shí)應(yīng)用，大致開發(fā)步驟如下：1）創(chuàng)建一個(gè)套接字，開始在指定的端口上監(jiān)聽連接請(qǐng)求。2）接受一個(gè)進(jìn)入的連接請(qǐng)求。3）為接受的套接字新建一個(gè)WSAOVERLAPPED結(jié)構(gòu)，并為該結(jié)構(gòu)分配一個(gè)事件對(duì)象句柄。也將事件對(duì)象句柄分配給一個(gè)事件數(shù)組，以便稍后由WSAWaitForMultipleEvents函數(shù)使用。4）在套接字上投遞一個(gè)異步WSARecv請(qǐng)求，指定參數(shù)為WSAOVERLAPPED結(jié)構(gòu)。5）使用步驟3）的事件數(shù)組,調(diào)用WSAWaitForMultipleEve

17、nts函數(shù),并等待與重疊調(diào)用關(guān)聯(lián)在一起的事件進(jìn)入"已傳信"狀態(tài)6)WSAWaitForMultipleEvents函數(shù)完成后,事件數(shù)組,調(diào)用WSAResetEvent函數(shù),從而重設(shè)事件對(duì)象,并對(duì)完成的重疊請(qǐng)求進(jìn)行處理.7)使用WSAGetOverlappedResult函數(shù),判斷重疊調(diào)用的返回狀態(tài)是什么.8)在套接字上投遞另一個(gè)重疊WSARecv請(qǐng)求.9)重復(fù)步驟58.5.完成端口模型完成端口模型據(jù)稱是目前效率最高也最復(fù)雜的模型，但它只適用于NT和2000系統(tǒng)，在一個(gè)應(yīng)用程序需要與大量的客戶端連接時(shí)，比較適合使用此模型，如開發(fā)游戲服務(wù)器。它的主要思想是將眾多的socket映

18、射到一個(gè)叫完成端口的對(duì)象上，通過這個(gè)完成端口來管理與客戶端的通信。在創(chuàng)建這個(gè)完成端口時(shí)需要指定CPU數(shù)量，根據(jù)CPU數(shù)量建立相應(yīng)的線程，CPU數(shù)量越大，應(yīng)用程序運(yùn)行效率越高。四、基于MFC的socket編程1、CAsyncSocket這個(gè)類實(shí)際上是對(duì)socket異步選擇模型的封裝，在建立一個(gè)CAsyncSocket對(duì)象后，它內(nèi)部創(chuàng)建了一個(gè)隱藏的CSocketWnd窗口，該窗口根據(jù)收到的消息類型調(diào)用CAsyncSocket定義虛函數(shù)，這樣我們只需要重載這些虛函數(shù)完成所需要的操作即可。 OnAccept 通知偵聽套接字，它可以通過調(diào)用Accept，接受掛起連接請(qǐng)求 OnClose 通知套接字，關(guān)閉對(duì)它的套接字連接 OnConnect 通知連接套接字，連接嘗試已經(jīng)完成，無論成功或失敗 OnOutOfBandData 通知接收套接字，在套接字上有帶外數(shù)據(jù)讀入，通常是忙消息 OnReceive 通知偵聽套接字，通過調(diào)用Receive恢復(fù)數(shù)據(jù) OnSend