一、开发环境
我这里介绍下我用的环境安装过程。 所有版本的VS都可以的。
我当前环境是在Windows下,IDE用的是地表最强IDE VS2022。
下载地址:https://visualstudio.microsoft.com/zh-hans/downloads/
因为我这里只需要用到C++和C语言编程,那么安装的时候可以自己选择需要安装的包。
安装好之后,创建项目。
二、网络编程的基础知识
2.1 什么是网络编程
网络编程是通过使用IP地址和端口号等网络信息,使两台以上的计算机能够相互通信,按照规定的协议交换数据的编程方式。
在网络编程中,程序员使用各种协议和技术,使得不同的设备可以通过网络进行数据交换和信息共享。
要实现网络编程,程序员需要了解并掌握各种网络通信协议,比如TCP/IP协议族,包括TCP、UDP、IP等,这些协议是实现设备间通信的基础。网络编程内部涉及到数据的打包、组装、发送、接收、解析等一系列过程,以实现信息的正确传输。
在TCP/IP协议族中,TCP和UDP是位于IP协议之上的传输层协议。 在OSI模型中,传输层是第四层,负责总体数据传输和数据控制,为会话层等高三层提供可靠的传输服务,为网络层提供可靠的目的地点信息。在TCP/IP协议族中,TCP和UDP正是位于这一层的协议。
这篇文章主要介绍 TCP 和 UDP 协议 以及 使用方法。
2.2 TCP 和 UDP协议介绍
TCP协议:
TCP(传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的传输层协议。在传输数据之前需要先建立连接,确保数据的顺序和完整性。TCP通过三次握手建立连接,并通过确认、超时和重传机制确保数据的可靠传输。TCP采用流量控制和拥塞控制机制,以避免网络拥塞,确保数据的顺利传输。因为TCP的这些特性,通常被应用于需要高可靠性和顺序性的应用,如网页浏览、电子邮件等。
UDP协议:
UDP(用户数据报协议)是一种无连接的、不可靠的传输层协议。与TCP不同,UDP在传输数据之前不需要建立连接,直接将数据打包成数据报并发送出去。因此,UDP没有TCP的那些确认、超时和重传机制,也就不保证数据的可靠传输。UDP也没有TCP的流量控制和拥塞控制机制。因为UDP的简单性和高效性,通常被应用于实时性要求较高,但对数据可靠性要求不高的应用,如语音通话、视频直播等。
2.3 TCP通信的实现过程
要实现TCP通信,两端必须要知道对方的IP和端口号:
(1)IP地址:TCP协议是基于IP协议进行通信的,因此需要知道对方的IP地址,才能建立连接。
(2)端口号:每个TCP连接都有一个唯一的端口号,用于标识进程和应用程序。建立连接时,需要指定本地端口号和远端端口号。
(3)应用层协议:TCP协议只提供数据传输服务,应用程序需要定义自己的应用层协议,用于解析报文和处理数据。例如,HTTP协议就是基于TCP协议的应用层协议。
在正常的TCP通信过程中,第一步需要建立连接,这个过程称为“三次握手”。建立连接时,客户端向服务器发送一个SYN包,表示请求建立连接;服务器接收到SYN包后,向客户端发送一个ACK包,表示确认收到了SYN包;最后客户端再向服务器发送一个ACK包,表示确认收到了服务器的ACK包,此时连接建立成功。建立连接后,数据传输就可以开始了。
三、Windows下的API介绍
微软的官方文档地址:https://learn.microsoft.com/zh-cn/windows/win32/api/_winsock/
3.1 常用的函数介绍
在Windows下进行网络编程,可以使用Winsock API(Windows Sockets API)来实现。Winsock API是Windows平台上的标准网络编程接口,提供了一系列函数和数据结构,用于创建、连接、发送和接收网络数据等操作。
下面是常用的Winsock API接口函数:
(1)WSAStartup
:初始化Winsock库,必须在使用其他Winsock函数之前调用。
(2)socket
:创建一个套接字,用于网络通信。
(3)bind
:将套接字与本地地址(IP地址和端口号)绑定。
(4)listen
:开始监听连接请求,将套接字设置为被动模式。
(5)accept
:接受客户端的连接请求,创建一个新的套接字用于与客户端通信。
(6)connect
:与远程服务器建立连接。
(7)send
:发送数据到已连接的套接字。
(8)recv
:从已连接的套接字接收数据。
(9)sendto
:发送数据到指定的目标地址。
(10)recvfrom
:从指定的地址接收数据。
(11)closesocket
:关闭套接字。
(12)getaddrinfo
:根据主机名和服务名获取地址信息。
(13)gethostbyname
:根据主机名获取主机的IP地址。
(14)gethostname
:获取本地主机名。
3.2 函数参数介绍
下面是常用的几个Winsock API函数及其函数原型和参数含义的介绍:
(1)WSAStartup
:
int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);
wVersionRequested
:请求的Winsock版本号。lpWSAData
:指向WSADATA结构的指针,用于接收初始化结果和相关信息。
(2)socket
:
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);
af
:地址族(Address Family),如AF_INET表示IPv4。type
:套接字类型,如SOCK_STREAM表示面向连接的TCP套接字。protocol
:指定协议。通常为0,表示根据type
自动选择合适的协议。
(3)bind
:
int bind(SOCKET s, const struct sockaddr* name, int namelen);
s
:要绑定的套接字。name
:指向sockaddr结构的指针,包含要绑定的本地地址信息。namelen
:name
结构的长度。
(4)listen
:
int listen(SOCKET s, int backlog);
s
:要监听的套接字。backlog
:等待连接队列的最大长度。
(5)accept
:
SOCKET accept(SOCKET s, struct sockaddr* addr, int* addrlen);
s
:监听套接字。addr
:用于存储客户端地址信息的sockaddr结构。addrlen
:addr
结构的长度。
(6)connect
:
int connect(SOCKET s, const struct sockaddr* name, int namelen);
s
:要连接的套接字。name
:指向目标地址信息的sockaddr结构指针。namelen
:name
结构的长度。
(7)send
:
int send(SOCKET s, const char* buf, int len, int flags);
s
:要发送数据的套接字。buf
:要发送的数据缓冲区。len
:要发送的数据长度。flags
:额外选项,如MSG_DONTROUTE等。
(8)recv
:
int recv(SOCKET s, char* buf, int len, int flags);
s
:要接收数据的套接字。buf
:用于存储接收数据的缓冲区。len
:要接收的数据长度。flags
:额外选项。
(9)sendto
:
int sendto(SOCKET s, const char* buf, int len, int flags, const struct sockaddr* to, int tolen);
s
:要发送数据的套接字。buf
:要发送的数据缓冲区。len
:要发送的数据长度。flags
:额外选项。to
:指向目标地址信息的sockaddr结构指针。tolen
:to
结构的长度。
(10)recvfrom
:
int recvfrom(SOCKET s, char* buf, int len, int flags, struct sockaddr* from, int* fromlen);
s
:要接收数据的套接字。buf
:用于存储接收数据的缓冲区。len
:要接收的数据长度。flags
:额外选项。from
:用于存储发送方地址信息的sockaddr结构指针。fromlen
:from
结构的长度。
(11)closesocket
:
int closesocket(SOCKET s);
s
:要关闭的套接字。
(12)getaddrinfo
:
int getaddrinfo(const char* nodename, const char* servname, const struct addrinfo* hints, struct addrinfo** res);
nodename
:目标主机名或IP地址。servname
:服务名或端口号。hints
:指向addrinfo结构的指针,提供关于地址查找的提示。res
:指向addrinfo结构链表的指针,用于接收查找结果。
(13)gethostbyname
:
struct hostent* gethostbyname(const char* name);
name
:要查询的主机名。
(14)gethostname
:
int gethostname(char* name, int namelen);
name
:用于接收主机名的缓冲区。namelen
:name
缓冲区的长度。
四、基本示例代码
4.1 创建TCP服务器
下面代码实现一个简单的TCP服务器。
实现的功能:初始化Winsock、创建套接字、绑定到本地地址和指定端口、监听连接请求、接受客户端连接、发送和接收数据,最后关闭套接字和清理Winsock资源。
#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // 链接到ws2_32库
int main()
{
WSADATA wsaData;
int result = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData); // 初始化Winsock
if (result != 0)
{
std::cout << "初始化Winsock失败 " << result << std::endl;
return 1;
}
SOCKET listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); // 创建套接字
if (listenSocket == INVALID_SOCKET)
{
std::cout << "创建套接字失败: " << WSAGetLastError() << std::endl;
WSACleanup();
return 1;
}
sockaddr_in service;
service.sin_family = AF_INET;
service.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
service.sin_port = htons(12345);
result = bind(listenSocket, (SOCKADDR*)&service, sizeof(service)); // 将套接字绑定到本地地址和指定端口
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "端口绑定失败: " << WSAGetLastError() << std::endl;
closesocket(listenSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
result = listen(listenSocket, SOMAXCONN); // 监听连接请求
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "监听连接请求失败: " << WSAGetLastError() << std::endl;
closesocket(listenSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
std::cout << "等待客户端连接:" << std::endl;
SOCKET clientSocket = accept(listenSocket, NULL, NULL); // 接受客户端连接
if (clientSocket == INVALID_SOCKET)
{
std::cout << "accept执行失败: " << WSAGetLastError() << std::endl;
closesocket(listenSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
std::cout << "客户端已连接..." << std::endl;
char sendBuffer[1024] = "Hello, client!";
result = send(clientSocket, sendBuffer, sizeof(sendBuffer), 0); // 发送数据给客户端
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "发送消息执行错误: " << WSAGetLastError() << std::endl;
closesocket(clientSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
char recvBuffer[1024];
result = recv(clientSocket, recvBuffer, sizeof(recvBuffer), 0); // 接收来自客户端的数据
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "接收消息执行错误: " << WSAGetLastError() << std::endl;
closesocket(clientSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
std::cout << "收到来着客户端发送的消息: " << recvBuffer << std::endl;
closesocket(clientSocket); // 关闭客户端套接字
closesocket(listenSocket); // 关闭监听套接字
WSACleanup(); // 清理Winsock资源
return 0;
}
运行效果:
4.2 创建TCP客户端
下面代码实现一个TCP客户端,连接到指定的服务器并完成通信。
#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") //告诉编译器链接Winsock库
int main()
{
WSADATA wsaData; //创建一个结构体变量,用于存储关于Winsock库的信息
int result = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData); //初始化Winsock库,指定版本号2.2,检查返回值
if (result != 0)
{
std::cout << "WSAStartup failed: " << result << std::endl; //输出错误信息并退出程序
return 1;
}
SOCKET connectSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //创建一个TCP套接字,检查返回值
if (connectSocket == INVALID_SOCKET)
{
std::cout << "socket failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl; //输出错误信息并退出程序
WSACleanup(); //清除Winsock库
return 1;
}
sockaddr_in service; //创建一个结构体变量,用于存储服务器地址信息
service.sin_family = AF_INET; //指定地址族为IPv4
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &service.sin_addr); //将字符串类型的IP地址转换为二进制网络字节序的IP地址,并存储在结构体中
service.sin_port = htons(12345); //将端口号从主机字节序转换为网络字节序,并存储在结构体中
result = connect(connectSocket, (SOCKADDR*)&service, sizeof(service)); //连接到服务器,检查返回值
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "connect failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl; //输出错误信息并退出程序
closesocket(connectSocket); //关闭套接字
WSACleanup(); //清除Winsock库
return 1;
}
std::cout << "Connected to server." << std::endl; //连接成功,输出消息
char sendBuffer[1024] = "Hello, server!"; //创建发送缓冲区,存储待发送的数据
result = send(connectSocket, sendBuffer, sizeof(sendBuffer), 0); //向服务器发送数据,检查返回值
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "send failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl; //输出错误信息并退出程序
closesocket(connectSocket); //关闭套接字
WSACleanup(); //清除Winsock库
return 1;
}
char recvBuffer[1024]; //创建接收缓冲区,用于存储从服务器接收到的数据
result = recv(connectSocket, recvBuffer, sizeof(recvBuffer), 0); //从服务器接收数据,检查返回值
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "recv failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl; //输出错误信息并退出程序
closesocket(connectSocket); //关闭套接字
WSACleanup(); //清除Winsock库
return 1;
}
std::cout << "Received message from server: " << recvBuffer << std::endl; //输出从服务器收到的数据
closesocket(connectSocket); //关闭套接字
WSACleanup(); //清除Winsock库
return 0;
}
运行效果:
4.3 TCP客户端循环接收消息
#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") //告诉编译器链接Winsock库
int main()
{
WSADATA wsaData; //创建一个结构体变量,用于存储关于Winsock库的信息
int result = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData); //初始化Winsock库,指定版本号2.2,检查返回值
if (result != 0)
{
std::cout << "WSAStartup failed: " << result << std::endl; //输出错误信息并退出程序
return 1;
}
SOCKET connectSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //创建一个TCP套接字,检查返回值
if (connectSocket == INVALID_SOCKET)
{
std::cout << "socket failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl; //输出错误信息并退出程序
WSACleanup(); //清除Winsock库
return 1;
}
sockaddr_in service; //创建一个结构体变量,用于存储服务器地址信息
service.sin_family = AF_INET; //指定地址族为IPv4
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &service.sin_addr); //将字符串类型的IP地址转换为二进制网络字节序的IP地址,并存储在结构体中
service.sin_port = htons(12345); //将端口号从主机字节序转换为网络字节序,并存储在结构体中
result = connect(connectSocket, (SOCKADDR*)&service, sizeof(service)); //连接到服务器,检查返回值
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "connect failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl; //输出错误信息并退出程序
closesocket(connectSocket); //关闭套接字
WSACleanup(); //清除Winsock库
return 1;
}
std::cout << "Connected to server." << std::endl; //连接成功,输出消息
char recvBuffer[1024]; //创建接收缓冲区,用于存储从服务器接收到的数据
while (true)
{
result = recv(connectSocket, recvBuffer, sizeof(recvBuffer), 0); //从服务器接收数据,检查返回值
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "recv failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl; //输出错误信息并退出循环
break;
}
else if (result > 0) //判断是否有数据接收到
{
std::cout << "Received message from server: " << recvBuffer << std::endl; //输出从服务器收到的数据
}
else //连接断开
{
std::cout << "Server disconnected." << std::endl;
break;
}
}
closesocket(connectSocket); //关闭套接字
WSACleanup(); //清除Winsock库
return 0;
}
4.4 TCP服务器并发处理客户端请求
下面示例代码中,使用了std::vector<std::thread>
来存储线程对象,在每个客户端连接时创建一个新线程来处理该连接。使用多线程可以让服务器同时处理多个客户端连接,提高并发性能。
#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <thread>
#include <vector>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
// 处理客户端连接的函数
void HandleClient(SOCKET clientSocket)
{
char recvBuffer[1024];
int result;
while (true)
{
result = recv(clientSocket, recvBuffer, sizeof(recvBuffer), 0);
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "recv failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl;
break;
}
else if (result > 0)
{
std::cout << "Received message from client: " << recvBuffer << std::endl;
}
else
{
std::cout << "Client disconnected." << std::endl;
break;
}
}
closesocket(clientSocket);
}
int main()
{
WSADATA wsaData;
int result = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
if (result != 0)
{
std::cout << "WSAStartup failed: " << result << std::endl;
return 1;
}
SOCKET listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (listenSocket == INVALID_SOCKET)
{
std::cout << "socket failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl;
WSACleanup();
return 1;
}
sockaddr_in service;
service.sin_family = AF_INET;
service.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
service.sin_port = htons(12345);
result = bind(listenSocket, (SOCKADDR*)&service, sizeof(service));
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "bind failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl;
closesocket(listenSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
result = listen(listenSocket, SOMAXCONN);
if (result == SOCKET_ERROR)
{
std::cout << "listen failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl;
closesocket(listenSocket);
WSACleanup();
return 1;
}
std::cout << "Server is listening for incoming connections." << std::endl;
std::vector<std::thread> threads; // 存储线程对象
while (true)
{
SOCKET clientSocket = accept(listenSocket, NULL, NULL);
if (clientSocket == INVALID_SOCKET)
{
std::cout << "accept failed with error: " << WSAGetLastError() << std::endl;
continue;
}
std::cout << "Client connected." << std::endl;
// 创建一个新线程来处理客户端连接
std::thread thread(HandleClient, clientSocket);
// 存储线程对象
threads.push_back(std::move(thread));
}
// 等待所有线程执行完毕
for (auto& thread : threads)
{
thread.join();
}
closesocket(listenSocket);
WSACleanup();
return 0;
}
运行效果: