winsock编程宝典之TCP连接建立与关闭

转载：http://blog.csdn.net/msgsnd/article/details/2153768

TCP连接建立与关闭

相信各位读者现在对於 Winsock 的定义、系统环境，以及一些 Winsock Stack及 Winsock 应用程式，都有基本的认识了。接下来笔者希望能分几期为各位读者介绍一下简单的 Winsock 网路应用程式设计。我们将以 Winsock 1.1 规格所定义的 46 个应用程式介面（API）为基础，逐步来建立一对 TCP socket 主从架构（Client / Server）的程式。

在这两个程式中，Server 将使用Winsock 提供的「非同步」（asynchronous）函式来建立 socket 连结、关闭、及资料收送等等；而 Client 则采类似传统 UNIX的「阻拦式」（blocking）。由於我们的重点并不在於 MS Windows SDK 的程式设计，所以我们将使用最简便的方式来显示讯息；有关 MS Windows 程式的技巧，请各位读者自行研究相关的书籍及文章。

今天我们先要看一下主从架构 TCP socket 的建立连结（connect）及关闭（close）。以前笔者曾简单地介绍过主从架构的概念，现在我们再以生活上更浅显的例子来说明一下，读者稍後也较容易能明白笔者的叙述。我们可以假设 Server 就像是电信局所提供的一些服务，比如「104 查号台」或「112 障碍台」。

（1）电信局先建立好了一个电话总机，这就像是呼叫 socket() 函式开启了一个 socket。

（2）接著电信局将这个总机的号码定为 104，就如同我们呼叫 bind() 函式，将 Server 的这个 socket 指定（bind）在某一个 port。当然电信局必须让用户知道这个号码；而我们的 Client 程式同样也要知道 Server 所用的 port，待会才有办法与之连接。

（3）电信局的 104 查号台底下会有一些自动服务的分机，但是它的数量是有限的，所以有时你会拨不通这个号码（忙线）。同样地，我们在建立一个 TCP 的Server socket 时，也会呼叫 listen() 函式来监听等待；listen() 的第二个参数即是 waiting queue 的数目，通常数值是由 1 到 5。（事实上这两者还是有点不一样。）

（4）用户知道了电信局的这个 104 查号服务，他就可以利用某个电话来拨号连接这个服务了。这就是我们 Client 程式开启一个相同的 TCP socket，然後呼叫 connect() 函式去连接 Server 指定的那个 port。当然了，和电话一样，如果 waiting queue满了、与 Server 间线路不通、或是 Server 没提供此项服务时，你的连接就会失败。

（5）电信局查号台的总机接受了这通查询的电话後，它会转到另一个分机做服务，而总机本身则再回到等待的状态。Server的 listening socket 亦是一样，当你呼叫了 accept() 函式之後，Server 端的系统会建立一个新的 socket 来对此连接做服务，而原先的 socket 则再回到监听等待的状态。

（6）当你查询完毕了，你就可以挂上电话，彼此间也就离线了。Client和Server间的 socket 关闭亦是如此；不过这个关闭离线的动作，可由 Client 端或Server 端任一方先关闭。有些电话查询系统不也是如此吗？

接下来，我们就来看主从架构的 TCP socket 是如何利用这些 Winsock 函式来达成的；并利用资策会资讯技术处的「WinKing」这个 Winsock Stack 中某项功能来显示 sockets 状态的变化。文章中仅列出程式的片段，完整的程式请看附录的程式。

第一步：Server进入监听状态

首先我们先看 Server 端如何建立一个 TCP socket，并使其进入监听等待的状态。在图 1. 上，我们可以看到最先被呼叫到的是WSAStartup() 函式。

WSAStartup

格  式： int PASCAL FAR WSAStartup( WORD wVersionRequested,  LPWSADATA lpWSAData );

参  数：   wVersionRequested 欲使用的 Windows Sockets API 版本

lpWSAData  指向 WSADATA 资料的指标

传回值：   成功 – 0

           失败 - WSASYSNOTREADY / WSAVERNOTSUPPORTED /  WSAEINVAL

说明： 此函式「必须」是应用程式呼叫到 Windows Sockets DLL 函式中的第一个，也唯有此函式呼叫成功後，才可以再呼叫其他Windows  Sockets DLL 的函式。此函式亦让使用者可以指定要使用的 Windows Sockets API 版本，及获取设计者的一些资讯。程式中我们要用 Winsock 1.1，所以我们在程式中有一段为：

WSAStartup((WORD)((1<<8)|1),(LPWSADATA) &WSAData)

其中 ((WORD)((1<<8)|1) 表示我们要用的是 Winsock 「1.1」版本，而WSAData 则是用来储存由系统传回的一些有关此一 Winsock Stack 的资料。

socket

再来我们呼叫 socket() 函式来开启 Server 端的 TCP socket。 socket()：建立Socket。

格 式： SOCKET PASCAL FAR socket( int af, int type, int protocol );

参 数： af 目前只提供 PF_INET(AF_INET)

type Socket 的型态 (SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM)

protocol 通讯协定(如果使用者不指定则设为0)

传回值： 成功 - Socket 的识别码

失败 - INVALID_SOCKET(呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)

说明： 此函式用来建立一 Socket，并为此 Socket 建立其所使用的资源。Socket 的型态可为 Stream Socket 或 Datagram Socket。我们要建立的是 TCP socket，所以程式中我们的第二个参数为SOCK_STREAM，我们并将开启的这个 socket 号码记在listen_sd 这个变数。

listen_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)

bind

接下来我们要指定一个位址及 port 给 Server 的这个 socket，这样 Client 才知道待会要连接哪一个位址的哪个 port；所以我们呼叫 bind() 函式。

bind()：指定 Socket 的 Local 位址 (Address)。

格式：

int PASCAL FAR bind( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name,int namelen );

参数：

s:         Socket的识别码

name:      Socket的位址值

namelen:   name的长度

传回值： 成功 – 0

失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)

说明： 此一函式是指定 Local 位址及 Port 给某一未定名之 Socket。使用者若不在意位址或 Port 的值，那麽他可以设定位址为INADDR_ANY，及 Port 为 0；那麽Windows Sockets 会自动将其设定适当之位址及 Port (1024 到 5000之间的值)，使用者可以在此 Socket 真正连接完成後，呼叫 getsockname() 来获知其被设定的值。bind() 函式要指定位址及 port，这个位址必须是执行这个程式所在机器的 IP位址，所以如果读者在设计程式时可以将位址设定为 INADDR_ANY，这样Winsock 系统会自动将机器正确的位址填入。如果您要让程式只能在某台机器上执行的话，那麽就将位址设定为该台机器的 IP 位址。由於此端是 Server 端，所以我们一定要指定一个 port 号码给这个 socket。读者必须注意一点，TCP socket 一旦选定了一个位址及 port 後，就无法再呼叫另一次 bind 来任意更改它的位址或 port。在程式中我们将 Server 端的 port 指定为 7016，位址则由系统来设定。

struct sockaddr_in sa;sa.sin_family = PF_INET;sa.sin_port = htons(7016);      //port numbersa.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//addressbind(listen_sd, (struct sockaddr far *)&sa, sizeof(sa))

我们在指定 port 号码时会用到 htons() 这个函式，主要是因为各机器的数值读取方式不同（PC与UNIX系统即不相同），所以我们利用这个函式来将 host order 的排列方式转换成 network order 的排列方式；相同地，我们也可以呼叫ntohs() 这个相对的函式将其还原。

host order各机器不同，但network order都相同；htons是针对short数值，对於long数值则用hotnl及ntohl。

listen

指定完位址及 port 之後，我们呼叫 listen() 函式，让这个 socket 进入监听状态。一个 Server 端的 TCP socket 必须在做完了 listen 的呼叫後，才能接受 Client 端的连接。

格式：

int PASCAL FAR listen( SOCKET s, int backlog );

参数：

s:         Socket 的识别码

backlog:   未真正完成连接前(尚未呼叫 accept 前)彼端的连接要求的最大个数

传回值：

成功 – 0

失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)

说明： 使用者可利用此函式来设定 Socket 进入监听状态，并设定最多可有多少个在未真正完成连接前的彼端的连接要求。(目前最大值限制为 5, 最小值为1)程式中我们将 backlog 设为 1 。

listen(listen_sd, 1)

呼叫完 listen 後，此时 Client 端如果来连接的话，Client 端的连接动作（connect）会成功，不过此时 Server 端必须再呼叫accept() 函式，才算正式完成Server 端的连接动作。但是我们什麽时候可以知道 Client 端来连接，而适时地呼叫 accept 呢？在这里我们就要利用 WSAAsyncSelect 函式，将Server 端的这个 socket 转变成 Asynchronous 模式，让系统主动来通知我们有Client 要连接了。

WSAAsyncSelect

格式：

int PASCAL FAR WSAAsyncSelect( SOCKET s, HWND hWnd, unsigned int wMsg, long lEvent );

参数：

s:         Socket 的编号

hWnd:      动作完成後，接受讯息的视窗 handle

wMsg:      传回视窗的讯息

lEvent:    应用程式有兴趣的网路事件

传回值：

成功 – 0

失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)

说明：此函式是让使用者用来要求 Windows Sockets DLL 在侦测到某一 Socket有网路事件时送讯息到使用者指定的视窗；网路事件是由参数 lEvent 设定。呼叫此函式会主动将该 Socket 设定为 Non-blocking 模式。lEvent 的值可为以下之「OR」组合：(参见 WINSOCK第1.1版88、89页) FD_READ、FD_WRITE、FD_OOB、FD_ACCEPT、FD_CONNECT、FD_CLOSE 使用者若是针对某一Socket再次呼叫此函式时，会取消对该 Socket 原先之设定。若要取消对该Socket 的所有设定，则 lEvent 的值必须设为 0。我们在程式中要求 Winsock 系统知道 Client 要来连接时，送一个ASYNC_EVENT 的讯息到程式中 hwnd 这个视窗；由於我们想知道的只有accept事件，所以我们只设定 FD_ACCEPT。

WSAAsyncSelect(listen_sd, hwnd, ASYNC_EVENT, FD_ACCEPT)

读者必须注意一点，WSAAsyncSelect 的设定是针对「某一个 socket」；也就是说，只有当您设定的这个 socket （listen_sd）的那些事件（FD_ACCEPT）发生时，您才会收到这个讯息（ASYNC_EVENT）。如果您开启了很多 sockets，而要让每个 socket 都变成asynchronous 模式的话，那麽就必须对「每一个 socket」都呼叫 WSAAsyncSelect 来一一设定。而如果您想将某一个 socket 的async 事件通知设定取消的话，那麽同样也是用 WSAAsyncSelect 这个函式；且第四个参数lEvent 一定要设为 0。

WSAAsyncSelect( s, hWnd, 0, 0 ) -- 取消所有 async 事件设定

呼叫 WSAAsyncSelect 的同时也将此socket改变成「非阻拦」（non-blocking）模式。但是此时这个 socket 不能很简单地用ioctlsocket() 这个函式就将它再变回「阻拦」（blocking）模式。也就是说WSAAsyncSelect 和 ioctlsocket 所改变的「非阻拦」模式仍是有些不同的。如果您想将一个「非同步」（asynchronous）模式的 socket 再变回「阻拦」模式的话，必须先呼叫 WSAAsyncSelect() 将所有的 async 事件取消，再用 ioctlsocket() 将它变回阻拦模式。

ioctlsocket

ioctlsocket()：控制 Socket 的模式。

格 式： int PASCAL FAR ioctlsocket( SOCKET s, long cmd, u_long FAR * argP );

参 数：    s Socket 的识别码

cmd 指令名称

argP 指向 cmd 参数的指标

传回值：   成功 – 0

失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)

说明： 此函式用来获取或设定 Socket 的运作参数。其所提供的指令有：(参见WINSOCK 第 1.1 版 35、36 页) cmd 的值可为：

FIONBIO -- 开关 non-blocking 模式//允许或禁止套接字的非阻塞模式，允许为非0，禁止为0

FIONREAD -- 自Socket一次可读取的资料量（目前 in buffer 的资料量//确定套接字自动读入的数据量

SIOCATMARK -- OOB 资料是否已被读取完//确定是否所有带外数据都已被读入

由於我们 Server 端的 socket 是用非同步模式，且设定了 FD_ACCEPT 事件，所以当 Client 端和我们连接时，Winsock Stack 会主动通知我们；我们再先来看看Client 端要如何和 Server 端建立连接？

第二步：Client主动建立连接

Client 首先也是呼叫 WSAStartup() 函式来与 Winsock Stack 建立关系；然後同样呼叫 socket() 来建立一个 TCP socket。（读者此时一定要用 TCP socket 来连接Server 端的 TCP socket，而不能用 UDP socket 来连接；因为相同协定的 sockets 才能相通，TCP 对 TCP，UDP 对 UDP）和 Server 端的 socket 不同的地方是：Client 端的 socket 可以呼叫 bind()函式，由自己来指定 IP 位址及 port 号码；但是也可以不呼叫 bind()，而由 Winsock Stack来自动设定 IP 位址及 port 号码（此一动作在呼叫connect() 函式时会由 Winsock 系统来完成）。通常我们是不呼叫 bind()，而由系统设定的，稍後可呼叫getsockname() 函式来检查系统帮我们设定了什麽 IP 及 port。一般言，系统会自动帮我们设定的 port 号码是在 1024 到 5000 之间；而如果读者要自己用 bind设定 port的话，最好是 5000 以上的号码。

connect()：要求连接某一 TCP Socket 到指定的对方。

格 式： int PASCAL FAR connect( SOCKET s, const struct sockaddr FAR *name, int namelen );

参 数： s Socket 的识别码

name 此 Socket 想要连接的对方位址

namelen name的长度

传回值： 成功 – 0

失败 - SOCKET_ERROR (呼叫WSAGetLastError()可得知原因)

说明： 此函式用来向对方要求建立连接。若是指定的对方位址为 0 的话，会传回错误值。当连接建立完成後，使用者即可利用此一 Socket 来做传送或接收资料之用了。

我们的例子中， Client 是要连接的是自己机器上 Server 所监听的 7016 这个port，所以我们有以下的程式片段。（假设我们机器的 IP 存在my_host_ip）

struct sockaddr_in sa; /* 变数宣告 */ sa.sin_family = PF_INET; /* 设定所要连接的 Server 端资料 */sa.sin_port = htons(7016);sa.sin_addr.s_addr = htonl(my_host_ip);connect(mysd, (struct sockaddr far *)&sa, sizeof(sa)) /* 建立连接 */

第三步：Server接受连接

由於我们 Server 端的 socket 是设定为「非同步模式」，且是针对 FD_ACCEPT这个事件，所以当 Client 来连接时，我们Server 端的 hwnd 这个视窗会收到Winsock Stack 送来的一个 ASYNC_EVENT 的讯息。（参见前面 WSAAsyncSelect 的设定）这时，我们应该：

先利用 WSAGETSELECTERROR(lParam) 来检查是否有错误；

并由 WSAGETSELECTEVENT(lParam) 得知是什麽事件发生（因为WSAAsyncSelect 函式可针对同一个 socket 同时设定很多事件，但是只用一个讯息来代表）（此处当然是 FD_ACCEPT 事件）；

然後再呼叫相关的函式来处理此一事件。所以我们呼叫 accept() 函式来建立 Server 端的连接。

accept()：接受某一 Socket 的连接要求，以完成 Stream Socket 的连接。

格 式： SOCKET PASCAL FAR accept( SCOKET s, struct sockaddr FAR *addr, int FAR *addrlen );

参 数： s Socket的识别码

addr 存放来连接的彼端的位址

addrlen addr的长度

传回值：成功 - 新的Socket识别码

失败 - INVALID_SOCKET (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)

说明： Server 端之应用程式呼叫此一函式来接受 Client 端要求之 Socket 连接动作；如果Server 端之 Socket 是为 Blocking模式，且没有人要求连接动作，那麽此一函式会被 Block 住；如果为 Non-Blocking 模式，此函式会马上回覆错误。accept()函式的答覆值为一新的 Socket，此新建之 Socket 不可再用来接受其它的连接要求；但是原先监听之 Socket 仍可接受其他人的连接要求。

TCP socket 的 Server 端在呼叫 accept() 後，会传回一个新的 socket 号码；而这个新的 socket 号码才是真正与 Client端相通的 socket。比如说，我们用socket() 建立了一个 TCP socket，而此 socket 的号码（系统给的）为 1，然後我们呼叫的bind()、listen()、accept() 都是针对此一 socket；当我们在呼叫 accept()後，传回值是另一个 socket 号码（也是系统给的），比如说 3；那麽真正与 Client 端连接的是号码 3 这个 socket，我们收送资料也都是要利用 socket 3，而不是 socket 1；读者不可搞错。我们在程式中对 accept() 的呼叫如下；我们并可由第二个参数的传回值，得知究竟是哪一个 IP 位址及 port号码的 Client 与我们 Server 连接。

struct sockaddr_in sa;int sa_len = sizeof(sa);my_sd = accept(listen_sd, (struct sockaddr far *)&sa, &sa_len)

当 Server 端呼叫完 accept() 後，主从架构的 TCP socket 连接才算真正建立完毕； Server 及 Client 端也就可以分别利用此一 socket 来送资料到对方或收对方送来的资料了。

第四步：Server/Client结束连接

最後我们来看一下如何结束 socket 的连接。socket 的关闭很简单，而且可由Server 或 Client 的任一端先启动，只要呼叫closesocket() 就可以了。而要关闭监听状态的 socket，同样也是利用此一函式。

closesocket()：关闭某一Socket。

格 式： int PASCAL FAR closesocket( SOCKET s );

参 数： s Socket 的识别码

传回值： 成功 – 0

失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)

说明： 此一函式是用来关闭某一 Socket。

若是使用者原先对要关闭之 Socket 设定 SO_DONTLINGER，则在呼叫此一函式後，会马上回覆，但是此一 Sokcet 尚未传送完毕的资料会继续送完後才关闭。

若是使用者原先设定此 Socket 为 SO_LINGER，则有两种情况：

(a) Timeout 设为 0 的话，此一 Socket 马上重新设定 (reset)，未传完或未收到的资料全部遗失。

(b) Timeout 不为 0 的话，则会将资料送完，或是等到 Timeout 发生後才真正关闭。

第五步：

程式结束前，读者们可千万别忘了要呼叫 WSACleanup() 来通知 WinsockStack；如果您不呼叫此一函式，Winsock Stack 中有些资源可能仍会被您占用而无法清除释放哟。

WSACleanup()：结束 Windows Sockets DLL 的使用。

格 式： int PASCAL FAR WSACleanup( void );

参 数： 无

传回值： 成功 – 0

失败 - SOCKET_ERROR (呼叫 WSAGetLastError() 可得知原因)

说明： 应用程式在使用 Windows Sockets DLL 时必须先呼叫WSAStartup() 来向 Windows Sockets DLL 注册；当应用程式不再需要使用Windows Sockets DLL 时，须呼叫此一函式来注销使用，以便释放其占用的资源。

结语

这期笔者先介绍主从架构 TCP sockets 的连接及关闭，以後会再陆续介绍如何收送资料，以及其他 API 的使用。想要进一步了解如何撰写 Winsock 程式的读者，可以好好研究一下笔者 demoserv 及 democlnt 这两个程式；也许不是写的很好，但是希望可以带给不懂 Winsock 程式设计的人一个起步。读者们亦可自行用 anonymous ftp 方式到 SEEDNET 台北主机 tpts1.seed.net. tw（139.175.1.10）的 UPLOAD / WINKING 目录下，取得笔者与陈建伶小姐所设计的WinKing 这个 Winsock Stack 的试用版，来跑demoserv 与 democlnt 这两个程式及其他许许多多的 Winsock 应用程式。（正式版本请洽 SEEDNET 服务中心，新版的WinKing 已含 Windows 拨接及 PPP 程式，适合电话拨接用户在 Windows 环境下用 SEEDNET；WinKing 同样也提供 Ethernet 环境的使用。）