TCP-IP協(xié)議與網(wǎng)絡編程-任泰明-TCP網(wǎng)絡程序框架與實例

1、第7章 TCP/IP網(wǎng)絡程序框架與實例7.1 網(wǎng)絡應用程序的基本工作流程7.2 基于TCP的客戶/服務器通信程序?qū)嵗?.3 基于UDP的客戶與服務器通信程序?qū)嵗曨} 17.1 網(wǎng)絡應用程序的基本工作流程7.1.1 面向連接的客戶/服務器程序工作流程1服務器端程序工作流程工作時，在服務器端的應用程序應該首先啟動，以等待客戶的服務請求。其工作流程如下：(1) 使用WSAStartup( )函數(shù)檢查系統(tǒng)協(xié)議棧的安裝情況。只有在協(xié)議棧正確安裝的情況下，才可以執(zhí)行以下的各步驟。2常用的調(diào)用格式有如下兩種：WSAStartup(0 x0202，&wsaData)；WSAStartup(MAKEWORD(2

2、,2)，&wsaData)；注意，這里所使用的Winsock為版，也可以使用其他版本的Winsock。(2) 使用socket( )或WSASocket( )函數(shù)創(chuàng)建服務器端通信的套接口。如果套接口創(chuàng)建不成功，也不能執(zhí)行以下的各步操作，并且要調(diào)用WSACleanup( )函數(shù)，結(jié)束Windows Sockets API的使用。這一步調(diào)用過程確定了相關(guān)五元組的協(xié)議。3常用的調(diào)用格式有如下幾種：SOCKET serverSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP)；SOCKET serverSocket=socket(AF_INET,SOCK_STR

3、EAM,0)；SOCKET serverSocket=WSASocket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED)；SOCKET serverSocket=WSASocket(AF_INET,SOCK_STREAM,0,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED)；注意，調(diào)用不成功時返回INVALID_SOCKET。4(3) 使用bind( )函數(shù)將創(chuàng)建的套接口與服務器地址綁定。它確定了相關(guān)五元組中的本地IP地址和端口號。常用調(diào)用格式如下： bind(serverSocket,(const struct s

4、ockaddr*)&localaddr,sizeof(sockaddr)；bind(serverSocket,(SOCKADDR*)&localaddr,sizeof(sockaddr)；bind(serverSocket,(sockaddr*)&localaddr,sizeof(sockaddr)；bind(serverSocket,(LPSOCKADDR)&localaddr,sizeof(sockaddr)；注意，本機地址有多種表示方法，它們是等價的。5(4) 使用listen()函數(shù)使服務器套接口做好接收連接請求的準備。該函數(shù)的調(diào)用格式如下：listen(serverSocket,qu

5、euelen)；注意，第二個參數(shù)是請求隊列的長度，用以限制排隊請求的客戶數(shù)，它與協(xié)議的實現(xiàn)有關(guān)，一般給queuelen賦值為5。(5) 使用accept()或WSAAccept()函數(shù)接收來自客戶端由connect()發(fā)出的連接請求。常用格式如下：SOCKET Newsock=accept(serverSocket,(struct sockaddr*)&clientaddr,&clientaddr_len)；在該函數(shù)的參數(shù)中，由clientaddr參數(shù)返回客戶端協(xié)議、IP地址和端口信息。至此，一個通信所需的五元組已建立。6(6) 根據(jù)連接請求建立連接后，使用send()或WSASend()函數(shù)

6、發(fā)送數(shù)據(jù)，或使用recv()或WSARecv()函數(shù)接收數(shù)據(jù)。調(diào)用方法見后面的實例。(7) 使用closesocket()函數(shù)關(guān)閉套接口。它的使用方法如下：closesocket(serverSocket)；(8) 最后調(diào)用WSACleanup()函數(shù)，結(jié)束Windows Sockets API的使用。它是一個無參函數(shù)，在程序中直接調(diào)用即可，即WSACleanup()；至此，服務器的工作過程結(jié)束。當然實際的服務器程序是比較復雜的，這里只是對它的基本流程進行了說明。72客戶端程序工作流程客戶端相對服務器端來說，其工作過程較為簡單。客戶端應用程序的工作流程如下：(1) 使用WSAStartup()

7、函數(shù)檢查系統(tǒng)協(xié)議棧的安裝情況。其調(diào)用格式與服務器端是相同的，即WSAStartup(0 x0202,&wsaData)；WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)；8 (2) 使用socket()或WSASocket()函數(shù)創(chuàng)建客戶端套接口。其調(diào)用格式同服務器端是一樣的，即：SOCKET clientSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP)；(3) 使用connect()或WSAConnect()函數(shù)發(fā)出與服務器建立連接的請求。常用格式如下：connect(clientSocket,(struct sockaddr*

8、)&serveraddr,sizeof(serveraddr)；9如果客戶想連接的計算機沒有監(jiān)聽指定端口的進程，則請求連接的connect()調(diào)用就會失敗，并發(fā)生代碼為WSAECONNREFUSED的錯誤。另一種常見的錯誤代碼是WSAETIMEDOUT，這種情況一般發(fā)生在試圖連接的計算機不能用時，如客戶與要連接的服務器之間路由不通、服務器主機硬件故障或者服務器不在網(wǎng)絡上等。注意，serveraddr參數(shù)是指向遠程服務器地址的一個指針，因此要調(diào)用此函數(shù)前一定要知道遠程服務器的地址和端口號，并把其值賦給serveraddr結(jié)構(gòu)量，否則無法使用該函數(shù)。10 (4) 連接建立后，使用send()或WS

9、ASend()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，或使用recv()或WSARecv()函數(shù)接收數(shù)據(jù)。(5) 使用closesocket()函數(shù)關(guān)閉套接口。 (6) 最后調(diào)用WSACleanup()函數(shù)，結(jié)束Windows Sockets API的使用。至此，一次客戶向服務器請求服務的過程結(jié)束。3服務器與客戶端五元組的建立第6章我們討論過服務器與客戶通信的過程要用一個五元組來標識。這個五元組是：11(協(xié)議，本地IP地址，本地端口號，遠程IP地址，遠程端口號)對于面向連接的(TCP協(xié)議)通信來說，服務器與客戶之間的連接建立完成后，這個五元組就建立了，如表7-1所示。 12表7-1 面向連接的通信過程中五元組的建立 1

10、34服務器與客戶通信過程模型圖 服務器與客戶進行上述通信的過程可以用圖7-1表示。要注意的是，在客戶端也可以使用bind( )調(diào)用進行地址綁定。圖7-1中數(shù)據(jù)的交換部分在實際程序中有多種可能性，圖中只給出了一種服務器端先接收數(shù)據(jù)然后再發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。14圖7-1 面向連接的客戶/服務器程序工作模型 157.1.2 無連接的客戶/服務器程序工作流程無連接的數(shù)據(jù)報(SOCK_DGRAM)傳輸服務在傳輸層使用UDP協(xié)議。與面向連接的通信過程不同，它的最大特點是不需要在客戶和服務器之間先建立連接，通信的任何一方可以先發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣首先發(fā)送數(shù)據(jù)的一方就成了客戶端，而接收數(shù)據(jù)的一方就是服務器端。在數(shù)據(jù)傳輸

11、完成后，只要關(guān)閉套接口，釋放網(wǎng)絡資源，通信過程就結(jié)束了。無連接的數(shù)據(jù)報傳輸服務通信時，客戶端與服務器端所使用的函數(shù)是類似的。其工作流程如下：16(1) 使用WSAStartup()函數(shù)檢查系統(tǒng)協(xié)議棧的安裝情況。使用格式為：WSAStartup(0 x0202，&wsaData)；WSAStartup(MAKEWORD(2,2)，&wsaData)；(2) 使用socket()或WSASocket()函數(shù)創(chuàng)建套接口，以確定相關(guān)五元組的協(xié)議。調(diào)用格式有如下幾種：SOCKET s=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP)；SOCKET s=socket(AF_IN

12、ET,SOCK_DGRAM,0)；SOCKET17s=WSASocket(AF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_TCP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED)；SOCKET s=WSASocket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED)； 18(3) 使用bind()函數(shù)將創(chuàng)建的套接口與本地地址綁定。它確定了相關(guān)五元組中的本地IP地址和端口號。常用格式如下：bind(s,(const struct sockaddr*)&localaddr,sizeof(sockaddr)；(4) 使用sendto()或W

13、SASendTo()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，使用recvfrom()或WSARecvFrom()函數(shù)接收數(shù)據(jù)。(5) 使用closesocket()函數(shù)關(guān)閉套接口。(6) 調(diào)用WSACleanup()函數(shù)，結(jié)束Windows Sockets API的使用。至此，一次無連接的數(shù)據(jù)報傳輸過程結(jié)束。無連接的客戶與服務器之間的交互通信模型可以用圖7-2表示。19圖7-2 無連接的客戶/服務器程序工作模型20在編寫無連接的客戶/服務器程序時，應該注意以下幾個問題：(1) 通信的一方可以不用bind( )綁定IP地址和端口，而由系統(tǒng)自動分配。(2) 不綁定IP地址和端口的一方必須首先向綁定地址的一方發(fā)送數(shù)據(jù)。(3)

14、 無連接應用程序也可以調(diào)用connect( )函數(shù)，但是它并不向?qū)Ψ桨l(fā)出建立連接的請求，內(nèi)核只是將connect( )中指定的目標方的IP地址和端口號記錄下來，在以后的通信中就可以使用面向連接的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)send( )和數(shù)據(jù)接收函數(shù)revc( )。21(4) 無連接的數(shù)據(jù)報傳輸過程中，作為服務器的一方也必須先啟動，否則客戶請求傳不到服務進程。 (5) 由于無連接的客戶端一般不調(diào)用connect( )，因此在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，客戶與服務器之間尚未建立一個全相關(guān)(五元組)，但各自通過socket( )和bind( )調(diào)用建立了半相關(guān)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方除指定本地套接口的地址外，還需指定接收方套接口的

15、地址，從而在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中動態(tài)地建立全相關(guān)。227.2 基于TCP的客戶/服務器通信程序?qū)嵗?7.2.1 實例程序說明 實例程序使用的編程環(huán)境為當前常用的。為了便于大家理解用Socket進行網(wǎng)絡程序設計的原理，本程序使用了下的控制臺程序“Win32 Console Application”。控制臺程序的結(jié)構(gòu)一目了然，使程序中各種Winsock API調(diào)用都非常清楚。該程序中通信協(xié)議使用的是面向連接的TCP協(xié)議(SOCK_STREAM)。服務器端的IP地址使用系統(tǒng)指定的IP地址，端口號在程序中指定為5050，用符號常量來定義。 237.2.2 服務器端程序/*調(diào)試環(huán)境：服務器IP地址：由系統(tǒng)指定

16、服務器端口號：5050程序名稱：程序功能：服務器端的程序當有客戶提出連接請求時，在端口5050與客戶端進行TCP連接，24連接成功后，顯示客戶IP地址和端口號，并給客戶端發(fā)送 Hello! I am a server.字符串。如果發(fā)送正確則顯示所發(fā)送的字節(jié)數(shù)命令格式：server*/ #include#include#include/服務器使用的端口號為5050#define DEFAULT_PORT 5050void main( )25intiPort=DEFAULT_PORT; WSADATAwsaData; SOCKETsListen,sAccept;/客戶地址長度intiLen;/發(fā)送

17、的數(shù)據(jù)長度intiSend;/要發(fā)送給客戶的信息char buf =I am a server.;26/服務器和客戶的地址struct sockaddr_inser,cli;printf(-n);printf(Server waitingn);printf(-n);if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)!=0) printf(Failed to load Winsock.n );return;27/創(chuàng)建服務器端套接口sListen=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sListen=INVALID_SOCKET)printf(s

18、ocket( )Failed:%dn, WSAGetLastError( );return; /以下建立服務器端地址 ser.sin_family=AF_INET;28/htons( )函數(shù)把一個雙字節(jié)主機字節(jié)順序的數(shù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡字節(jié)順序的數(shù)ser.sin_port=htons(iPort);/htonl( )函數(shù)把一個四字節(jié)主機字節(jié)順序的數(shù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡字節(jié)順序的數(shù)/使用系統(tǒng)指定的IP地址INADDR_ANYser.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);if(bind(sListen,(LPSOCKADDR)&ser,sizeof(ser)=SOCKET_ERROR)

19、printf(bind( ) Failed: %dn, WSAGetLastError( );return;29/進入監(jiān)聽狀態(tài)if(listen(sListen,5)=SOCKET_ERROR)printf(listen( ) Failed:%dn,WSAGetLastError( );return;/初始化客戶地址長度參數(shù)iLen=sizeof(cli);/進入一個無限循環(huán)，等待客戶的連接請求30while(1)sAccept=accept(sListen,(struct sockaddr*)&cli,&iLen);if(sAccept=INVALID_SOCKET)printf(accep

20、t( ) Failed: %dn, WSAGetLastError( );break;31/輸出客戶IP地址和端口號printf(Accepted client IP:%s,port:%dn,inet_ntoa(cli.sin_addr),ntohs(cli.sin_port);/給連接的客戶發(fā)送信息iSend=send(sAccept,buf,sizeof(buf),0);if(iSend=SOCKET_ERROR)printf(send( ) Failed.:%dn, WSAGetLastError( );break;32elseif(iSend=0)break;elseprintf(se

21、nd( ) byte:%dn,iSend);printf(-n);closesocket(sAccept);closesocket(sListen);WSACleanup( );337.2.3 客戶端程序/*調(diào)試環(huán)境：程序名稱：客戶IP地址和端口：由系統(tǒng)指定程序功能：客戶端程序向服務器提出TCP連接的請求，當連接建立后，從服務器的端口505034接收數(shù)據(jù)并進行顯示，然后斷開與服務器的連接命令格式：client 服務器IP地址命令舉例：說明：上面設將要連接的服務器IP地址為，端口號為5050*/ 35#include#include/服務器端口號為5050#define DEFAULT_PORT

22、 5050#define DATA_BUFFER 1024void main(int argc,char *argv ) WSADATAwsaData;SOCKETsClient; int iPort= DEFAULT_PORT;36 /從服務器端接收的數(shù)據(jù)長度 int iLen; /接收數(shù)據(jù)的緩沖 charbufDATA_BUFFER; /服務器端地址 struct sockaddr_in ser; /判斷輸入的參數(shù)是否正確3738 if(argc2) /提示在命令行中輸入服務器IP地址printf(Usage:client server IP addressn);return; /接收數(shù)據(jù)

23、的緩沖區(qū)初始化 memset(buf,0,sizeof(buf); if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)!=0) printf(Failed to load Winsock.n);return; 39/填寫要連接的服務器地址信息ser.sin_family=AF_INET;ser.sin_port=htons(iPort);/inet_addr( )函數(shù)將命令行的點分IP地址轉(zhuǎn)化為用二進制表示的網(wǎng)絡字節(jié)順序的IP地址ser.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv1);/建立客戶端流式套接口sClient=socket(AF_INET,

24、SOCK_STREAM,0);if(sClient=INVALID_SOCKET)40printf(socket( ) Failed:%dn, WSAGetLastError( );return;/請求與服務器端建立TCP連接if(connect(sClient,(struct sockaddr*)&ser,sizeof(ser)=INVALID_SOCKET)printf(connect( ) Failed:%dn, WSAGetLastError( );return;41else/從服務器端接收數(shù)據(jù)iLen=recv(sClient,buf,sizeof(buf),0);if(iLen=0

25、)return;else if(iLen=SOCKET_ERROR)42printf(recv( ) Failed:%dn, WSAGetLastError( );return;printf(recv( ) data from server:%sn,buf); closesocket(sClient); WSACleanup( );437.2.4 程序執(zhí)行結(jié)果進行編譯與鏈接前，要注意以下幾個問題：(1) 在的“工程”“設置”“工程設置(Project Settings)”“Link”“對象/庫模塊”中加入“ws2_32.lib”。(2) 執(zhí)行VC+安裝目錄下文件夾“bin”中的“Vcvars3

26、2.bat”批處理文件。 (3) 如果要在一臺計算機上調(diào)試服務器和客戶程序，則服務器程序和客戶程序應該各開一個DOS窗口，并在其中顯示命令。 44(4) 服務器端程序在沒有錯誤發(fā)生或強行終止(Ctrl+Break)的情況下，將一直運行下去。圖7-3和圖7-4是客戶端程序和服務器端程序執(zhí)行的結(jié)果，它們是在同一臺裝有Windows 98操作系統(tǒng)的主機上執(zhí)行后的結(jié)果。該主機的IP地址設置為“”。客戶端程序共執(zhí)行了三次，每執(zhí)行一次，服務器端程序就顯示與其建立連接的客戶端IP地址和端口號并顯示發(fā)送給客戶的字節(jié)數(shù)。由于客戶端端口號由主機進行分配，所以從圖7-4中可以看出，每次執(zhí)行時主機都分配了不同的端口號

27、。45圖7-3 客戶端程序執(zhí)行結(jié)果 46圖7-4 服務器端程序執(zhí)行結(jié)果 477.3 基于UDP的客戶與服務器通信程序?qū)嵗?.3.1 實例程序說明本實例程序使用的編程環(huán)境為，使用的是控制臺程序“Win32 Console Application”。通信協(xié)議使用無連接的UDP協(xié)議(SOCK_DGRAM)。服務器端IP地址使用系統(tǒng)指定的IP地址，端口號在程序中指定為5050，用符號常量定義。服務器端從客戶端接收并顯示信息，服務器也向客戶端發(fā)送“Hello!I am a server.”信息?？蛻舳讼蚍掌靼l(fā)送的信息為“Hello!I am a client.”，同時也接收從服務器發(fā)送的信息并進行顯示

28、?？蛻舳顺绦驁?zhí)行時，從鍵盤輸入服務器的IP地址(即在命令行中輸入)，客戶端口號由系統(tǒng)指定，服務器端口號指定為5050。487.3.2 服務器端程序/*調(diào)試環(huán)境：程序名稱：服務器IP地址：由系統(tǒng)指定服務器端口：5050功能： 從端口5050接收客戶端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，接收成功后顯示從客戶端收到的數(shù)據(jù)、客戶端的IP地址和端口號； 給客戶端發(fā)送Hello!I am a server.字符串命令格式：server*/ 49#include#include#include/服務器端口號為5050#define DEFAULT_PORT 5050/接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長度#define BUFFER_LENGTH

29、1024void main( )50 intiPort=DEFAULT_PORT; WSADATAwsaData; SOCKETsSocket; /客戶地址長度 intiLen; /發(fā)送的數(shù)據(jù)長度 intiSend; /接收的數(shù)據(jù)長度 intiRecv;51 /要發(fā)送給客戶的信息 charsend_buf =Hello! I am a server.; /接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) charrecv_bufBUFFER_LENGTH; /本地地址和客戶地址 struct sockaddr_inser,cli; printf(-n); printf(Server waitingn); printf(-n)

30、;52 if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)!=0) printf(Failed to load Winsock.n );return; /產(chǎn)生服務器端套接口 sSocket=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); if(sSocket=INVALID_SOCKET) printf(socket( ) Failed: %dn, WSAGetLastError();return; 53/以下建立服務器端地址 ser.sin_family=AF_INET; /htons( )函數(shù)把一個雙字節(jié)主機字節(jié)順序的數(shù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡字節(jié)順序的數(shù) ser.s

31、in_port=htons(iPort); /htonl( )函數(shù)把一個主機字節(jié)順序的數(shù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡字節(jié)順序的數(shù) ser.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);if(bind(sSocket,(LPSOCKADDR)&ser,sizeof(ser)=SOCKET_ERROR) printf(bind( ) Failed: %dn, WSAGetLastError( );return; 54 iLen=sizeof(cli); /初始化接收緩沖區(qū) memset(recv_buf,0,sizeof(recv_buf); /進入一個無限循環(huán)，進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送 while

32、(1) /從客戶端接收數(shù)據(jù)iRecv=recvfrom(sSocket,recv_buf,BUFFER_LENGTH,0,(SOCKADDR*)&cli,&iLen);55if(iRecv=SOCKET_ERROR)printf(recvfrom( ) Failed.:%dn, WSAGetLastError( );break;elseif(iRecv=0)break;else56/輸出接收到的數(shù)據(jù)printf(recvfrom( ):%sn,recv_buf);/輸出客戶IP地址和端口號printf(Accepted client IP:%s,port:%dn,inet_ntoa(cli.s

33、in_addr),ntohs(cli.sin_port);57/給客戶發(fā)送信息iSend=sendto(sSocket,send_buf,sizeof(send_buf),0,(SOCKADDR*)&cli,sizeof(cli);if(iSend=SOCKET_ERROR)printf(sendto( ) Failed.:%dn, WSAGetLastError( );printf(-n);break;58elseif(iSend=0)break;elseprintf(sendto( ) succeeded!n);printf(-n); closesocket(sSocket); WSACl

34、eanup( );597.3.3 客戶端程序/*調(diào)試環(huán)境：程序名稱：客戶端IP地址和端口：由系統(tǒng)指定程序功能： 客戶端程序向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)Hello! I am a client.； 客戶端程序從服務器接收數(shù)據(jù)并進行顯示命令格式：client 服務器IP地址命令舉例：說明：上面設要給IP地址為、端口號為5050的服務器發(fā)送數(shù)據(jù)*/ 60#include#include/服務器端口號為5050#define DEFAULT_PORT 5050/緩沖區(qū)長度#define DATA_BUFFER 1024void main(int argc,char *argv ) WSADATA wsaData;

35、 SOCKET sClient;61int iPort=5050; /服務器地址長度 int iLen; /接收數(shù)據(jù)的緩沖 int iSend; int iRecv; /要發(fā)送給服務器的信息 char send_buf =Hello! I am a client.; /接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) char recv_bufDATA_BUFFER;62/服務器端地址 struct sockaddr_in ser; /處理命令行中輸入的參數(shù) if(argc2) /提示在命令行中輸入服務器IP地址printf(Usage:client server IP addressn);return;63 /接收數(shù)據(jù)的緩

36、沖區(qū)初始化 memset(recv_buf,0,sizeof(recv_buf); if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData)!=0) printf(Failed to load Winsock.n);return; 64 /建立服務器端地址 ser.sin_family=AF_INET; ser.sin_port=htons(iPort); ser.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv1); /建立客戶端數(shù)據(jù)報套接口 sClient=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); if(sClient=INVALID_SOC