Windows下WinsockAPI研究

為了方便網路編程，90年代初，由Microsoft聯合了其他幾家公司共同制定了一套WINDOWS下的網路編程介面，即Windows Sockets規範，它不是一種網路通訊協定,而是一套開放的、支援多種協議的Windows下的網路編程介面。現在的Winsock已經基本上實現了與協議無關，你可以使用Winsock來調用多種協議的功能，但較常使用的是TCP/IP協議。Socket實際在電腦中提供了一個通訊連接埠，可以通過這個連接埠與任何一個具有Socket介面的電腦通訊。應用程式在網路上傳輸，接收的資訊都通過這個Socket介面來實現。

　　微軟為VC定義了Winsock類如CAsyncSocket類和派生於CAsyncSocket 的CSocket類，它們簡單易用，讀者朋友當然可以使用這些類來實現自己的網路程式，但是為了更好的瞭解Winsock API編程技術，我們這裡探討怎樣使用底層的API函數實現簡單的 Winsock 網路應用程式設計，分別說明如何在Server端和Client端操作Socket，實現基於TCP/IP的資料傳送，最後給出相關的原始碼。

　　在VC中進行WINSOCK的API編程開發的時候，需要在項目中使用下面三個檔案，否則會出現編譯錯誤。

　　1．WINSOCK.H: 這是WINSOCK API的標頭檔，需要包含在項目中。

　　2．WSOCK32.LIB: WINSOCK API串連庫檔案。在使用中，一定要把它作為項目的非預設的串連庫包含到專案檔中去。

　　3．WINSOCK.DLL: WINSOCK的動態串連庫，位於WINDOWS的安裝目錄下。

　　一、伺服器端操作 socket（通訊端）

　　1)在初始化階段調用WSAStartup()

　　此函數在應用程式中初始化Windows Sockets DLL ，只有此函數調用成功後，應用程式才可以再調用其他Windows Sockets DLL中的API函數。在程式中調用該函數的形式如下：WSAStartup((WORD)((1<<8|1)，（LPWSADATA）&WSAData)，其中(1<<8|1)表示我們用的是WinSocket1.1版本，WSAata用來儲存系統傳回的關於WinSocket的資料。

　　2)建立Socket

　　初始化WinSock的動態串連庫後，需要在伺服器端建立一個監聽的Socket，為此可以調用Socket()函數用來建立這個監聽的Socket，並定義此Socket所使用的通訊協定。此函數調用成功返回Socket對象，失敗則返回INVALID_SOCKET(調用WSAGetLastError()可得知原因，所有WinSocket 的函數都可以使用這個函數來擷取失敗的原因)。

SOCKET PASCAL FAR socket( int af, int type, int protocol )
參數: af:目前只提供 PF_INET(AF_INET)；
type：Socket 的類型 (SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM)；
protocol：通訊協定(如果使用者不指定則設為0)；

如果要建立的是遵從TCP/IP協議的socket，第二個參數type應為SOCK_STREAM，如為UDP（資料報）的socket，應為SOCK_DGRAM。

　　3)綁定連接埠

　　接下來要為伺服器端定義的這個監聽的Socket指定一個地址及連接埠（Port），這樣用戶端才知道待會要串連哪一個地址的哪個連接埠，為此我們要調用bind()函數，該函數調用成功返回0，否則返回SOCKET_ERROR。
int PASCAL FAR bind( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name,int namelen );

參 數： s：Socket對象名；
name：Socket的地址值，這個地址必須是執行這個程式所在機器的IP地址；
namelen：name的長度；

　　如果使用者不在意地址或連接埠的值，那麼可以設定地址為INADDR_ANY，及Port為0，Windows Sockets 會自動將其設定適當之地址及Port (1024 到 5000之間的值)。此後可以調用getsockname()函數來獲知其被設定的值。

　　4）監聽

　　當伺服器端的Socket對象綁定完成之後,伺服器端必須建立一個監聽的隊列來接收用戶端的串連請求。listen()函數使伺服器端的Socket 進入監聽狀態，並設定可以建立的最大串連數(目前最大值限制為 5, 最小值為1)。該函數調用成功返回0，否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR listen( SOCKET s, int backlog ); 參 數： s：需要建立監聽的Socket； backlog：最大串連個數；

　　伺服器端的Socket調用完listen（）後，如果此時用戶端調用connect（）函數提出串連申請的話，Server 端必須再調用accept() 函數，這樣伺服器端和用戶端才算正式完成通訊程式的串連動作。為了知道什麼時候用戶端提出串連要求，從而伺服器端的Socket在恰當的時候調用accept()函數完成串連的建立，我們就要使用WSAAsyncSelect（）函數，讓系統主動來通知我們有用戶端提出串連請求了。該函數調用成功返回0，否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR WSAAsyncSelect( SOCKET s, HWND hWnd,unsigned int wMsg, long lEvent ); 參數： s：Socket 對象； hWnd ：接收訊息的視窗控制代碼； wMsg：傳給視窗的訊息； lEvent：被註冊的網路事件，也即是應用程式向視窗發送訊息的網路事件，該值為下列值FD_READ、FD_WRITE、FD_OOB、FD_ACCEPT、FD_CONNECT、FD_CLOSE的組合，各個值的具體含意為FD_READ：希望在通訊端S收到資料時收到訊息；FD_WRITE：希望在通訊端S上可以發送資料時收到訊息；FD_ACCEPT：希望在通訊端S上收到串連請求時收到訊息；FD_CONNECT：希望在通訊端S上串連成功時收到訊息；FD_CLOSE：希望在通訊端S上串連關閉時收到訊息；FD_OOB：希望在通訊端S上收到帶外資料時收到訊息。

　　具體應用時，wMsg應是在應用程式中定義的訊息名稱，而訊息結構中的lParam則為以上各種網路事件名稱。所以，可以在視窗處理自訂訊息函數中使用以下結構來響應Socket的不同事件：　　

switch(lParam)　 　 {case FD_READ: 　　　 …　　 　 break; case FD_WRITE、 　　　 … 　 break; 　　　 … }

　　5）伺服器端接受用戶端的串連請求

　　當Client提出串連請求時，Server 端hwnd視窗會收到Winsock Stack送來我們自訂的一個訊息，這時，我們可以分析lParam，然後調用相關的函數來處理此事件。為了使伺服器端接受用戶端的串連請求，就要使用accept() 函數，該函數建立一Socket與用戶端的Socket相通，原先監聽之Socket繼續進入監聽狀態，等待他人的串連要求。該函數調用成功返回一個新產生的Socket對象，否則返回INVALID_SOCKET。

SOCKET PASCAL FAR accept( SCOKET s, struct sockaddr FAR *addr,int FAR *addrlen ); 參數：s：Socket的識別碼； addr：存放來串連的用戶端的地址； addrlen：addr的長度

　　6）結束 socket 串連

　　結束伺服器和用戶端的通訊串連是很簡單的，這一過程可以由伺服器或客戶機的任一端啟動，只要調用closesocket()就可以了，而要關閉Server端監聽狀態的socket，同樣也是利用此函數。另外，與程式啟動時調用WSAStartup()憨數相對應，程式結束前，需要調用 WSACleanup() 來通知Winsock Stack釋放Socket所佔用的資源。這兩個函數都是調用成功返回0，否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR closesocket( SOCKET s ); 參 數：s：Socket 的識別碼； int PASCAL FAR WSACleanup( void ); 參 數： 無

二、用戶端Socket的操作

　　1）建立用戶端的Socket

　　用戶端應用程式首先也是調用WSAStartup() 函數來與Winsock的動態串連庫建立關係，然後同樣調用socket() 來建立一個TCP或UDP socket（相同協定的 sockets 才能相通，TCP 對 TCP，UDP 對 UDP）。與伺服器端的socket 不同的是，用戶端的socket 可以調用 bind() 函數，由自己來指定IP地址及port號碼；但是也可以不調用 bind()，而由 Winsock來自動設定IP地址及port號碼。

　　2）提出串連申請

　　用戶端的Socket使用connect()函數來提出與伺服器端的Socket建立串連的申請，函數調用成功返回0，否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR connect( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name, int namelen ); 參 數：s：Socket 的識別碼； name：Socket想要串連的對方地址； namelen：name的長度

　　三、資料的傳送

　　雖然基於TCP/IP連線協定（流通訊端）的服務是設計客戶機/伺服器應用程式時的主流標準，但有些服務也是可以通過無連線協定（資料通訊端）提供的。先介紹一下TCP socket 與UDP socket 在傳送資料時的特性：Stream (TCP) Socket 提供雙向、可靠、有次序、不重複的資料傳送。Datagram (UDP) Socket 雖然提供雙向的通訊，但沒有可靠、有次序、不重複的保證，所以UDP傳送資料可能會收到無次序、重複的資料，甚至資料在傳輸過程中出現遺漏。由於UDP Socket 在傳送資料時，並不保證資料能完整地送達對方，所以絕大多數應用程式都是採用TCP處理Socket，以保證資料的正確性。一般情況下TCP Socket 的資料發送和接收是調用send() 及recv() 這兩個函數來達成，而 UDP Socket則是用sendto() 及recvfrom() 這兩個函數，這兩個函數調用成功發揮發送或接收的資料的長度，否則返回SOCKET_ERROR。

int PASCAL FAR send( SOCKET s, const char FAR *buf,int len, int flags ); 參數：s：Socket 的識別碼 buf：存放要傳送的資料的暫存區 len buf：的長度 flags：此函數被調用的方式

　　對於Datagram Socket而言，若是 datagram 的大小超過限制，則將不會送出任何資料，並會傳回錯誤值。對Stream Socket 言，Blocking 模式下，若是傳送系統內的儲存空間不夠存放這些要傳送的資料，send()將會被block住，直到資料送完為止；如果該Socket被設定為 Non-Blocking 模式，那麼將視目前的output buffer空間有多少，就送出多少資料，並不會被 block 住。flags 的值可設為 0 或 MSG_DONTROUTE及 MSG_OOB 的組合。

int PASCAL FAR recv( SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags ); 參數：s：Socket 的識別碼 buf：存放接收到的資料的暫存區 len buf：的長度 flags：此函數被調用的方式

　　對Stream Socket 言，我們可以接收到目前input buffer內有效資料，但其數量不超過len的大小。

　　四、自訂的CMySocket類的實現代碼：

　　根據上面的知識，我自訂了一個簡單的CMySocket類，下面是我定義的該類的部分實現代碼：

////////////////////////////////////// CMySocket::CMySocket() : file://類的建構函式 { 　WSADATA wsaD; 　memset( m_LastError, 0, ERR_MAXLENGTH ); 　// m_LastError是類內字串變數,初始化用來存放最後錯誤說明的字串； 　// 初始化類內sockaddr_in結構變數，前者存放用戶端地址，後者對應於伺服器端地址; 　memset( &m_sockaddr, 0, sizeof( m_sockaddr ) ); 　memset( &m_rsockaddr, 0, sizeof( m_rsockaddr ) ); 　int result = WSAStartup((WORD)((1<<8|1)， &wsaD);//初始化WinSocket動態串連庫; 　if( result != 0 ) // 初始化失敗； 　{ set_LastError( "WSAStartup failed!", WSAGetLastError() ); 　　return; 　} } ////////////////////////////// CMySocket::~CMySocket() { WSACleanup(); }//類的解構函式； //////////////////////////////////////////////////// int CMySocket::Create( void ) 　{// m_hSocket是類內Socket對象，建立一個基於TCP/IP的Socket變數，並將值賦給該變數； 　　if ( (m_hSocket = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP )) == INVALID_SOCKET ) 　　{ 　　　set_LastError( "socket() failed", WSAGetLastError() ); 　　　return ERR_WSAERROR; 　　} 　　return ERR_SUCCESS; 　} /////////////////////////////////////////////// int CMySocket::Close( void )//關閉Socket對象； { 　if ( closesocket( m_hSocket ) == SOCKET_ERROR ) 　{ 　　set_LastError( "closesocket() failed", WSAGetLastError() ); 　　return ERR_WSAERROR; 　} 　file://重設sockaddr_in 結構變數； 　memset( &m_sockaddr, 0, sizeof( sockaddr_in ) ); 　memset( &m_rsockaddr, 0, sizeof( sockaddr_in ) ); 　return ERR_SUCCESS; } ///////////////////////////////////////// int CMySocket::Connect( char* strRemote, unsigned int iPort )//定義串連函數； { 　if( strlen( strRemote ) == 0 || iPort == 0 ) 　　return ERR_BADPARAM; 　hostent *hostEnt = NULL; 　long lIPAddress = 0; 　hostEnt = gethostbyname( strRemote );//根據電腦名稱得到該電腦的相關內容； 　if( hostEnt != NULL ) 　{ 　　lIPAddress = ((in_addr*)hostEnt->h_addr)->s_addr; 　　m_sockaddr.sin_addr.s_addr = lIPAddress; 　} 　else 　{ 　　m_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr( strRemote ); 　} 　m_sockaddr.sin_family = AF_INET; 　m_sockaddr.sin_port = htons( iPort ); 　if( connect( m_hSocket, (SOCKADDR*)&m_sockaddr, sizeof( m_sockaddr ) ) == SOCKET_ERROR ) 　{ 　　set_LastError( "connect() failed", WSAGetLastError() ); 　　return ERR_WSAERROR; 　} 　return ERR_SUCCESS; } /////////////////////////////////////////////////////// int CMySocket::Bind( char* strIP, unsigned int iPort )//綁定函數； { 　if( strlen( strIP ) == 0 || iPort == 0 ) 　　return ERR_BADPARAM; 　memset( &m_sockaddr,0, sizeof( m_sockaddr ) ); 　m_sockaddr.sin_family = AF_INET; 　m_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr( strIP ); 　m_sockaddr.sin_port = htons( iPort ); 　if ( bind( m_hSocket, (SOCKADDR*)&m_sockaddr, sizeof( m_sockaddr ) ) == SOCKET_ERROR ) 　{ 　　set_LastError( "bind() failed", WSAGetLastError() ); 　　return ERR_WSAERROR; 　} 　return ERR_SUCCESS; } ////////////////////////////////////////// int CMySocket::Accept( SOCKET s )//建立串連函數，S為監聽Socket對象名； { 　int Len = sizeof( m_rsockaddr ); 　memset( &m_rsockaddr, 0, sizeof( m_rsockaddr ) ); 　if( ( m_hSocket = accept( s, (SOCKADDR*)&m_rsockaddr, &Len ) ) == INVALID_SOCKET ) 　{ 　　set_LastError( "accept() failed", WSAGetLastError() ); 　　return ERR_WSAERROR; 　} 　return ERR_SUCCESS; } ///////////////////////////////////////////////////// int CMySocket::asyncSelect( HWND hWnd, unsigned int wMsg, long lEvent ) file://事件選擇函數； { 　if( !IsWindow( hWnd ) || wMsg == 0 || lEvent == 0 ) 　　return ERR_BADPARAM; 　if( WSAAsyncSelect( m_hSocket, hWnd, wMsg, lEvent ) == SOCKET_ERROR ) 　{ 　　set_LastError( "WSAAsyncSelect() failed", WSAGetLastError() ); 　　return ERR_WSAERROR; 　} 　return ERR_SUCCESS; } //////////////////////////////////////////////////// int CMySocket::Listen( int iQueuedConnections )//監聽函數； { 　if( iQueuedConnections == 0 ) 　　return ERR_BADPARAM; 　if( listen( m_hSocket, iQueuedConnections ) == SOCKET_ERROR ) 　{ 　　set_LastError( "listen() failed", WSAGetLastError() ); 　　return ERR_WSAERROR; 　} 　return ERR_SUCCESS; } //////////////////////////////////////////////////// int CMySocket::Send( char* strData, int iLen )//資料發送函數； { 　if( strData == NULL || iLen == 0 ) 　　return ERR_BADPARAM; 　if( send( m_hSocket, strData, iLen, 0 ) == SOCKET_ERROR ) 　{ 　　set_LastError( "send() failed", WSAGetLastError() ); 　　return ERR_WSAERROR; 　} 　return ERR_SUCCESS; } ///////////////////////////////////////////////////// int CMySocket::Receive( char* strData, int iLen )//資料接收函數； { 　if( strData == NULL ) 　　return ERR_BADPARAM; 　int len = 0; 　int ret = 0; 　ret = recv( m_hSocket, strData, iLen, 0 ); 　if ( ret == SOCKET_ERROR ) 　{ 　　set_LastError( "recv() failed", WSAGetLastError() ); 　　return ERR_WSAERROR; 　} 　return ret; } void CMySocket::set_LastError( char* newError, int errNum ) file://WinSock API操作錯誤字串設定函數； { 　memset( m_LastError, 0, ERR_MAXLENGTH ); 　memcpy( m_LastError, newError, strlen( newError ) ); 　m_LastError[strlen(newError)+1] = '\0'; }

　　有了上述類的定義，就可以在網路程式的伺服器和用戶端分別定義CMySocket對象，建立串連，傳送資料了。例如，為了在伺服器和用戶端發送資料，需要在伺服器端定義兩個CMySocket對象ServerSocket1和ServerSocket2，分別用於監聽和串連，用戶端定義一個CMySocket對象ClientSocket，用於發送或接收資料，如果建立的串連數大於一，可以在伺服器端再定義CMySocket對象，但要注意串連數不要大於五。

　　由於Socket API函數還有許多，如擷取遠端伺服器、本地客戶機的IP地址、主機名稱等等，讀者可以再此基礎上對CMySocket補充完善，實現更多的功能。