Winsocket編程基礎

1、一、網(wǎng)絡編程基礎1.1計算機網(wǎng)絡概述計算機網(wǎng)絡把分布在不同地點且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設備和線路連接起來，在功能完善的軟件和協(xié)議的管理下實現(xiàn)網(wǎng)絡中資源共享。在工控領域，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸及控制信息的發(fā)送都依賴于計算機網(wǎng)絡來實現(xiàn)。1.2、網(wǎng)絡參考模型為什么要對網(wǎng)絡進行分層設計？在計算機通信過程中需要通信協(xié)議，但因傳輸介質的不同、計算機本身的差異以及數(shù)據(jù)格式的不同等因素，致使網(wǎng)絡通信相當復雜，為了降低復雜性，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。因為OSI的網(wǎng)絡模型標準比較嚴格，另外推出的時間也相對較晚，所以目前還沒有完全按照OSI模型實現(xiàn)的網(wǎng)絡。TCP/IP是

2、目前實際應用最廣泛的一種網(wǎng)絡模型，在這個模型中，不只是劃分了功能層，還有具體的實現(xiàn)技術，即協(xié)議。TCP和IP就是這個模型中最重要的兩個層次的代表協(xié)議。 1.2.1、OSI和TCP/IP參考模型在網(wǎng)絡的不同分層中有不同的協(xié)議，計算機只能在同一層次上進行通信，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應關系，如下圖：1.2.2、數(shù)據(jù)流向在網(wǎng)絡的層次模型中，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，中間層就像個翻譯一樣，如下圖為經(jīng)典的中德教師的對話過程：在TCP/IP網(wǎng)絡模型中，數(shù)據(jù)在從應用層向網(wǎng)絡接口層（鏈路層）傳遞的過程中，每經(jīng)過一層都要加入該

3、層的相應的協(xié)議內容，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)包到達接收方后，數(shù)據(jù)包從鏈路層到應用層進行逐層解析，在接收方應用層解析得到的數(shù)據(jù)就是發(fā)送方在應用層發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進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)絡層中定義，長度為32個二進制位，分為4段，每段8位，用于主機在網(wǎng)絡中的標識，IP地址有兩部分組成，一部分為網(wǎng)絡地址，另一部分為主機地址。IP地址分為A、B、C、D、E 共5類，具體如下： A 類： |0| + 網(wǎng)絡號7位+主機號24位 -55 B 類： |1 0|+網(wǎng)絡號14位+主機號16位 -

4、55 C 類： |1 1 0|+網(wǎng)絡號21位+主機號8位 -55 D 類： |1 1 1 0|+網(wǎng)絡號28位多播組號 -55 E 類： |1 1 1 1 0|+27位留待后用 在使用IP地址進行通信時，可分為單播、組播和廣播三種通信方式。單播即網(wǎng)絡節(jié)點之間進行點到點的通信；組播，又稱多播，常用于視頻會議，由一個節(jié)點向指定的一組節(jié)點逐個發(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，也就是對所有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，因此占用整個網(wǎng)絡帶寬，廣播使用固定的IP” 25

5、55”。1.3、軟件系統(tǒng)結構C/S（Client/Server）結構，即大家熟知的客戶機和服務器結構，根據(jù)實際情況對服務器和客戶端進行合理的分配任務，一方面可以減少網(wǎng)絡通信的開銷，另一方面降低了服務器的壓力，在這種結構下，客戶端相對獨立地分擔了一些任務，使其功能豐富，換個角度也稱這樣的客戶端為胖客戶端。B/S（Browser/Server）結構即瀏覽器和服務器結構。它是隨著Internet技術的興起，對C/S結構的一種變化或者改進的結構。在這種結構下，主要事務邏輯在服務器端（Server）實現(xiàn)，用戶通過WWW瀏覽器獲取需要的服務，因極少部分事務邏輯在前端（Browser）

6、實現(xiàn)，因此也可稱為瘦客戶端。在工控領域，一二級控制系統(tǒng)因為對系統(tǒng)實時性要求較高，一般都采用C/S結構，而高層的信息管理系統(tǒng)大多采用B/S結構。二、SOCKET編程2.1、SOCKET概述SOCKET是在TCP/IP協(xié)議下進行網(wǎng)絡編程的接口，在編寫網(wǎng)絡軟件時，用戶不用關系底層協(xié)議是如何實現(xiàn)的，SOCKET提供了一些API使網(wǎng)絡編程變得相對簡單。SOCKET是由伯克利大學分校設計，最早主要用于在UNIX進行網(wǎng)絡開發(fā)，微軟在此基礎上對其進行擴展，稱其為WinSocket，擴展的socket API一般都以WSA開頭，在windows上進行網(wǎng)絡編程，基本的socket函數(shù)和擴展的socket函數(shù)都可以

7、使用。2.2、同步（阻塞）/異步（非阻塞）同步是指計算機的IO操作不能同時進行，也就是計算機系統(tǒng)內核在進行IO操作時，線程處于等待狀態(tài)（阻塞），在內核完成IO操作后，等待的線程才繼續(xù)執(zhí)行。異步是相對于同步而言，線程在向系統(tǒng)內核提出IO操作請求后繼續(xù)執(zhí)行，線程通過內核定義的信號狀態(tài)判斷IO操作是否完成。同步IO操作相對簡單，但異步IO會使整個軟件有更高的性能，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，應用程序應根據(jù)實際需要選擇合適的IO模型。1. 選擇模型之所以叫做“選擇”模型，是因為該模型以select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操作返回錯誤。如果你選擇的是同步socket，讀寫操作會被阻塞，這可以通過多線程來解決，但是如果有多個socket需要進行讀寫，使用多線程的方法就十分有限了。選擇異步socket不會阻塞，但在socket不可操作時進行讀寫會返回錯誤，而且也不知何時socket才能可以讀寫，輪詢的方式又會降低程序的性能，

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

10、所關注的socket句柄 HWND hWnd, /用于接收socket消息的窗口句柄 unsigned int wMsg, /一個你自己定義的消息，網(wǎng)絡事件以此消息通知 long lEvent /網(wǎng)絡事件掩碼);這個函數(shù)將socket和窗口通過消息建立關聯(lián)，在socket上有事件發(fā)生時，系統(tǒng)會將該函數(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)絡事件和錯誤代碼，window提供兩個宏：WSAGETSELECTERROR(lParam) 提取錯誤代碼，通過WSAGetLastError可以獲得錯誤

11、信息；WSAGETSELECTEVENT(lParam)提取網(wǎng)絡事件，網(wǎng)絡事件常用的有FD_READ|FD_WRITE|FD_CLOSE|FD_ACCEPT|FD_CONNECTION等，這樣我們收到一個socket消息后，就知道了在哪個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)絡事件，對于開發(fā)窗口程序比較方便，而對于一個沒有窗口的程序則需要建立一個隱藏窗口。針對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，只不過它是基于內核事件而異步選擇模型基于窗口。我們通過WSAEventSelect將socket與內核事件

12、建立關聯(lián)，原型如下：int WSAEventSelect ( SOCKET s, /socket WSAEVENT hEventObject, /內核事件 long lNetworkEvents /網(wǎng)絡事件);WinSocket對內核事件進行了封裝，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、無信號，等待事件信號的方法也類似，普遍的EVENT使用WaitForMultipleObjects，而等待WSAEVENT信號使用WSAWaitForMultipleEvent

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

14、組標號，為此要將保存的socket句柄數(shù)組和事件數(shù)組一一對應，知道數(shù)組標號，也就知道了發(fā)生事件的socket。知道了哪個socket，如何知道在這個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 );前兩個參數(shù)我們已經(jīng)知道，第三個參數(shù)為WSANETWORKEVENTS的結構體指針，該結構體定義如下：typedef struct _WSANETWORKEVE

15、NTS long lNetworkEvents;/事件代碼 int iErrorCodeFD_MAX_EVENTS;/錯誤代碼 WSANETWORKEVENTS, FAR * LPWSANETWORKEVENTS;將事件與“求與”如FD_READ， 如果結果非零，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IO操作后，系統(tǒng)直接操作應用程序中的緩

16、沖區(qū)，而不是先操作socket緩沖區(qū)之后再拷貝到應用程序的緩沖區(qū)。該模型效率高，但使用上也比較復雜，比較適合實時數(shù)據(jù)采集或者在傳輸大的文件時應用，大致開發(fā)步驟如下：1）創(chuàng)建一個套接字，開始在指定的端口上監(jiān)聽連接請求。2）接受一個進入的連接請求。3）為接受的套接字新建一個WSAOVERLAPPED結構，并為該結構分配一個事件對象句柄。也將事件對象句柄分配給一個事件數(shù)組，以便稍后由WSAWaitForMultipleEvents函數(shù)使用。4）在套接字上投遞一個異步WSARecv請求，指定參數(shù)為WSAOVERLAPPED結構。5）使用步驟3）的事件數(shù)組,調用WSAWaitForMultipleEve

17、nts函數(shù),并等待與重疊調用關聯(lián)在一起的事件進入"已傳信"狀態(tài)6)WSAWaitForMultipleEvents函數(shù)完成后,事件數(shù)組,調用WSAResetEvent函數(shù),從而重設事件對象,并對完成的重疊請求進行處理.7)使用WSAGetOverlappedResult函數(shù),判斷重疊調用的返回狀態(tài)是什么.8)在套接字上投遞另一個重疊WSARecv請求.9)重復步驟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雜的模型，但它只適用于NT和2000系統(tǒng)，在一個應用程序需要與大量的客戶端連接時，比較適合使用此模型，如開發(fā)游戲服務器。它的主要思想是將眾多的socket映

18、射到一個叫完成端口的對象上，通過這個完成端口來管理與客戶端的通信。在創(chuàng)建這個完成端口時需要指定CPU數(shù)量，根據(jù)CPU數(shù)量建立相應的線程，CPU數(shù)量越大，應用程序運行效率越高。四、基于MFC的socket編程1、CAsyncSocket這個類實際上是對socket異步選擇模型的封裝，在建立一個CAsyncSocket對象后，它內部創(chuàng)建了一個隱藏的CSocketWnd窗口，該窗口根據(jù)收到的消息類型調用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，它可以通過調用Accept，接受掛起連接請求 OnClose 通知套接字，關閉對它的套接字連接 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，通過調用Receive恢復數(shù)據(jù) OnSend