基于WinSock的即时通信软件功能原理模拟.docx
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基于WinSock的即时通信软件功能原理模拟
基于WinSock的即时通信软件功能原理模拟
一.设计的目的与要求
利用WinSock进行点对点通信,工作机制模仿即时通信软件的基本功能。
分为客服部分和服务器部分两块,客服部分类似一般通信软件,服务器部分主要提供客户端用户基本数据配置。
基于Socket的局域网聊天室是此类局域网通信软件的具体实例之一,它很好地诠释了Socket通信的原理,并且在企业内部通信、教学、讨论等应用中都具有一定的实用价值。
它具有信息收发速度快,保密性好,占用网络带宽资源低,占用服务器吞吐能力低,易于编程实现等优点。
二.设计目标和主要技术指标
本项目的设计目标为一个高性能的,易于使用的,面向企业内部通信需求的局域网即时信息软件。
它应具有如下特征:
具有高性能,可同时处理多个连接请求。
对硬件要求低,适应范围广,运行稳定。
具有高度可定制性,客户可根据不同的具体需求方便地更改软件的特性。
具有一定的容错性能。
最终的软件产品应具有如下功能:
客户端与服务器端功能独立,可独立运行在不同的计算机上或运行在同一台计算机上,具有最大的灵活性。
客户端易于使用。
服务器端运行稳定,具有可管理性,并具有一定的容错性能。
客户端与服务器端可运行在多种硬件平台,具有良好的兼容性能。
三.设计原理与实现
在Internet上的通信程序一般都是以服务器提供服务端连接响应,使用者通过客户端程序登录到服务器,就可以与登录在同一服务器上的用户交谈,这是一个面向连接的通信过程。
因此,程序要在TCP/IP环境下,实现服务器端和客户端两部分程序。
自从80年代初首次在BerkerleyUNIX4.1上实现以来,Socket已经在多种平台上实现了不同的版本,包括最初的BSDSocket和Winsock(WindowsSocket),它是Microsoft为Windows开发的一套TCP/IPAPI(ApplicationProgrammingInterface),以及JavaSocket,它是SunMicrosystem公司为JAVA制定的比较低端的网络通讯API。
Socket从网络连接的角度来讲,是网络通讯连接的端点,它提供点到点的连接。
而从程序设计的角度来讲,它也是编写网络通讯程序的API。
作为网络连接时,Socket的概念可以用图示1来表示:
图1
作为网络通讯程序API时,Socket的概念可由图示2来表示:
图2
应用程序调用Socket的过程可归纳为如图3的流程图:
Socket通信可以通过用如下几个步骤来简要描述和实现:
1.建立Socket
应用程序在使用Socket之前,必需拥有一个Socket,系统调用Socket()向应用程序提供创建Socket的手段。
此过程使用Socket()函数创建一个通讯的端点,将网络应用程序插入到网络中。
需要注意的是,在一张网络接口卡上可以创建和同时使用多个Socket。
Socket()的调用格式如下:
SOCKETPASCALFARsocket(intaf,inttype,intprotocol);
2.为Socket命名
当一个Socket用socket()创建后,存在一个名字空间,但它没有被命名。
bind()将Socket地址(包括本地主机地址和本地端口地址)与所创建的Socket号联系起来,即将名字赋予Socket,以指定本地半相关。
其调用格式如下:
intPASCALFARbind(SOCKETs,conststructsockaddrFAR*name,intnamelen);
3.与网络上的另外一个Socket相连接
此任务可分为两部分考虑:
在服务器端:
此调用用于面向连接服务器,表明它愿意接收连接。
listen()需在accept()之前调用,其调用格式如下:
intPASCALFARlisten(SOCKETs,intbacklog);
在客户机端:
此任务调用Connect()和Accept()完成一个完整相关的建立,其中connect()用于建立连接。
无连接的Socket进程也可以调用connect(),但这时在进程之间没有实际的报文交换,调用将从本地操作系统直接返回。
这样做的优点是程序员不必为每一数据指定目的地址,而且如果收到的一个数据报,其目的端口未与任何Socket建立“连接”,便能判断该端口不可操作。
而accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。
与Socket通信类似,Winsock通信可以通过用如下几个步骤来简要描述和实现:
1.建立一个WindowsSocket:
SOCKETsd1,sd2;/*socketdescriptors*/
sd1=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);/*connection-orientedsocket*/
sd2=socket(PF_INET,SOCK_DGRAM,0);/*connectionlesssocket*/
其中Socket函数的三个参数分别代表ProtocolFamily,Type,Protocol。
ProtocolFamily
指定所用的协议(AF_INET,PF_INET)
Type
指定Socket类型(SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM),以便获得不同的服务类型。
Protocol
通讯协议,此处可指定为0让Winsock选择一个适合的通讯协议。
该函数如果调用成功就返回新创建的套接字的描述符,如果失败就返回INVALID_SOCKET。
套接字描述符是一个整数类型的值。
每个进程的进程空间里都有一个套接字描述符表,该表中存放着套接字描述符和套接字数据结构的对应关系。
该表中有一个字段存放新创建的套接字的描述符,另一个字段存放套接字数据结构的地址,因此根据套接字描述符就可以找到其对应的套接字数据结构。
每个进程在自己的进程空间里都有一个套接字描述符表但是套接字数据结构都是在操作系统的内核缓冲里。
2.为Winsock命名
SOCKETsd;/*socketdescriptor*/
intmyaddrlen;/*lengthofmyaddr*/
structsockaddr_inmyaddr;/*Internetaddressstructure*/
bind(sd,(structsockaddr)*myaddr,myaddrlen);
当创建了一个Socket以后,套接字数据结构中有一个默认的IP地址和默认的端口号。
一个服务程序必须调用bind函数来给其绑定一个IP地址和一个特定的端口号。
客户程序一般不必调用bind函数来为其Socket绑定IP地址和断口号。
该函数的第一个参数指定待绑定的Socket描述符;第二个参数指定一个sockaddr结构,该结构是这样定义的:
structsockaddr{
u_shortsa_family;
charsa_data[14];
};
sa_family指定地址族,对于TCP/IP协议族的套接字,给其置AF_INET。
当对TCP/IP协议族的套接字进行绑定时,我们通常使用另一个地址结构:
structsockaddr_in{
short sin_family;
u_shortsin_port;
struct in_addrsin_addr;
char sin_zero[8];
};
其中sin_family置AF_INET;sin_port指明端口号;sin_addr结构体中只有一个唯一的字段s_addr,表示IP地址,该字段是一个整数,一般用函数inet_addr()把字符串形式的IP地址转换成unsignedlong型的整数值后再置给s_addr。
有的服务器是多宿主机,至少有两个网卡,那么运行在这样的服务器上的服务程序在为其Socket绑定IP地址时可以把htonl(INADDR_ANY)置给s_addr,这样做的好处是不论哪个网段上的客户程序都能与该服务程序通信;如果只给运行在多宿主机上的服务程序的Socket绑定一个固定的IP地址,那么就只有与该IP地址处于同一个网段上的客户程序才能与该服务程序通信。
我们用0来填充sin_zero数组,目的是让sockaddr_in结构的大小与sockaddr结构的大小一致。
下面是一个bind函数调用的例子:
structsockaddr_insaddr;
saddr.sin_family=AF_INET;
saddr.sin_port=htons(8888);
saddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
bind(ListenSocket,(structsockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
3.建立连接
connect(sd,(structsockaddr)*servaddr,servaddrlen);
客户程序调用connect函数来使客户Sockets与监听于name所指定的计算机的特定端口上的服务Socket进行连接。
如果连接成功,connect返回0;如果失败则返回SOCKET_ERROR。
下面是一个例子:
structsockaddr_indaddr;
memset((void*)&daddr,0,sizeof(daddr));
daddr.sin_family=AF_INET;
daddr.sin_port=htons(8888);
daddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("133.197.22.4");
connect(ClientSocket,(structsockaddr*)&daddr,sizeof(daddr));
listen(sd,queuelen);
服务程序可以调用listen函数使其流套接字s处于监听状态。
处于监听状态的流套接字s将维护一个客户连接请求队列,该队列最多容纳backlog个客户连接请求。
假如该函数执行成功,则返回0;如果执行失败,则返回SOCKET_ERROR。
accept(sd,(structsockaddr)*clntaddr,*clntaddrlen);
服务程序调用accept函数从处于监听状态的流套接字s的客户连接请求队列中取出排在最前的一个客户请求,并且创建一个新的套接字来与客户套接字创建连接通道,如果连接成功,就返回新创建的套接字的描述符,以后与客户套接字交换数据的是新创建的套接字;如果失败就返回INVALID_SOCKET。
该函数的第一个参数指定处于监听状态的流套接字;操作系统利用第二个参数来返回新创建的套接字的地址结构;操作系统利用第三个参数来返回新创建的套接字的地址结构的长度。
4.传送信息
send(sd,buf,len,flags);
sendto(sd,buf,len,flags,(structsockaddr)*to,addrlen);
不论是客户还是服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。
客户程序一般用send函数向服务器发送请求,而服务器则通常用send函数来向客户程序发送应答。
该函数的第一个参数指定发送端套接字描述符;第二个参数指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区;第三个参数指明实际要发送的数据的字节数;第四个参数一般置0。
这里只描述同步Socket的send函数的执行流程。
当调用该函数时,send先比较待发送数据的长度len和套接字s的发送缓冲区的长度,如果len大于s的发送缓冲区的长度,该函数返回SOCKET_ERROR;如果len小于或者等于s的发送缓冲区的长度,那么send先检查协议是否正在发送s的发送缓冲中的数据,如果是就等待协议把数据发送完,如果协议还没有开始发送s的发送缓冲中的数据或者s的发送缓冲中没有数据,那么send就比较s的发送缓冲区的剩余空间和len,如果len大于剩余空间大小send就一直等待协议把s的发送缓冲中的数据发送完,如果len小于剩余空间大小send就仅仅把buf中的数据copy到剩余空间里(注意并不是send把s的发送缓冲中的数据传到连接的另一端的,而是协议传的,send仅仅是把buf中的数据copy到s的发送缓冲区的剩余空间里)。
如果send函数copy数据成功,就返回实际copy的字节数,如果send在copy数据时出现错误,那么send就返回SOCKET_ERROR;如果send在等待协议传送数据时网络断开的话,那么send函数也返回SOCKET_ERROR。
要注意send函数把buf中的数据成功copy到s的发送缓冲的剩余空间里后它就返回了,但是此时这些数据并不一定马上被传到连接的另一端。
如果协议在后续的传送过程中出现网络错误的话,那么下一个Socket函数就会返回SOCKET_ERROR。
需要注意的是:
在Unix系统下,如果send在等待协议传送数据时网络断开的话,调用send的进程会接收到一个SIGPIPE信号,进程对该信号的默认处理是进程终止。
5.接收信息
recv(sd,buf,len,flags);
recvfrom(sd,buf,len,flags,(structsockaddr)*from,*addrlen);
不论是客户还是服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。
该函数的第一个参数指定接收端套接字描述符;第二个参数指明一个缓冲区,该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据;第三个参数指明buf的长度;第四个参数一般置0。
这里只描述同步Socket的recv函数的执行流程。
当应用程序调用recv函数时,recv先等待s的发送缓冲中的数据被协议传送完毕,如果协议在传送s的发送缓冲中的数据时出现网络错误,那么recv函数返回SOCKET_ERROR,如果s的发送缓冲中没有数据或者数据被协议成功发送完毕后,recv先检查套接字s的接收缓冲区,如果s接收缓冲区中没有数据或者协议正在接收数据,那么recv就一直等待,只到协议把数据接收完毕。
当协议把数据接收完毕,recv函数就把s的接收缓冲中的数据copy到buf中(注意协议接收到的数据可能大于buf的长度,所以在这种情况下要调用几次recv函数才能把s的接收缓冲中的数据copy完。
recv函数仅仅是copy数据,真正的接收数据是协议来完成的),recv函数返回其实际copy的字节数。
如果recv在copy时出错,那么它返回SOCKET_ERROR;如果recv函数在等待协议接收数据时网络中断了,那么它返回0。
同样需要注意的是:
在Unix系统下,如果recv函数在等待协议接收数据时网络断开了,那么调用recv的进程会接收到一个SIGPIPE信号,进程对该信号的默认处理是进程终止。
6.关闭Winsock
closesocket(SOCKETsd);
shutdown(SOCKETsd,intdirection);
其中:
direction为0时,关闭socket接收能力
direction为1时,关闭socket传送能力
direction为2时,关闭socket接收和传送能力
closesocket函数如果执行成功就返回0,否则返回SOCKET_ERROR。
四.设计程序
对于任何基于Winsock的编程首先我们必须要初始化WinsockDLL库.
intWSAStarup(WORDwVersionRequested,LPWSADATAlpWsAData).
wVersionRequested是我们要求使用的Winsock的版本.调用这个接口函数可以帮我们初始化Winsock.然后我们必须创建一个套接字(socket).
SOCKETsocket(intaf,inttype,intprotocol);套接字可以说是Winsock通讯的核心.Winsock通讯的所有数据传输,都是通过套接字来完成的,套接字包含了两个信息,一个是IP地址,一个是Port端口号,使用这两个信息,我们就可以确定网络中的任何一个通讯节点.
当我们调用了socket()接口函数创建了一个套接字后,我们必须把套接字与你需要进行通讯的地址建立联系,我们可以通过绑定函数来实现这种联系.
intbind(SOCKETs,conststructsockaddrFAR*name,intnamelen);
structsockaddr_in
{
short sin_family;
u_short sin_prot;
structin_addr sin_addr;
char sin_sero[8];
}
就包含了我们需要建立连接的本地的地址,包括,地址族,ip和端口信
息.sin_family字段我们必须把他设为AF_INET,这是告诉Winsock使
用的是IP地址族.sin_prot 就是我们要用来通讯的端口号.sin_addr
就是我们要用来通讯的ip地址信息.
在这里,必须还得提一下有关'大头(big-endian)'小头(little-endian)'.
因为各种不同的计算机处理数据时的方法是不一样的,Intel86处理
器上是用'小头'形势来表示多字节的编号,就是把低字节放在前面,
把高字节放在后面,而互联网标准却正好相反,所以,我们必须把主机
字节转换成网络字节的顺序.WinsockAPI提供了几个函数.
把主机字节转化成网络字节的函数;
u_longhtonl(u_longhostlong);
u_shorthtons(u_shorthostshort);
把网络字节转化成主机字节的函数;
u_longntohl(u_longnetlong);
u_shortntohs(u_shortnetshort);
这样,我们设置ip地址,和port端口时,就必须把主机字节转化成网络
字节后,才能用bind()函数来绑定套接字和地址.
当绑定完成之后,服务器端必须建立一个监听的队列来接收客户端的连接请求.
intlisten(SOCKETs,intbacklog);
这个函数可以让我们把套接字转成监听模式.
如果客户端有了连接请求,我们还必须使用
intaccept(SOCKETs,structsockaddrFAR*addr,intFAR*addrlen);
来接受客户端的请求.
现在我们基本上已经完成了一个服务器的建立,
而客户端的建立的流程则是初始化WinSock,然后创建socket套接字
再使用intconnect(SOCKETs,conststructsockaddrFAR*name,intnamelen);来连接服务端.
下面将介绍此程序的核心代码,该代码仅实现了上述的基本功能,而其他功能,则很容易在此基础上通过进一步编程扩充程序功能来实现。
1. 服务器端工作流程和代码:
服务器端通过socket()系统调用创建一个Socket数组后(即设定了接受连接客户的最大数目),与指定的本地端口绑定bind(),就可以在端口进行侦听listen()。
如果有客户端连接请求,则在数组中选择一个空Socket,将客户端地址赋给这个Socket。
然后登录成功的客户就可以在服务器上通信了。
VoidOnServerOpen()//开启服务器功能
{
WSADATAwsaData;
intiErrorCode;
charchInfo[64];
if(WSAStartup(WINSOCK_VERSION,&wsaData))//调用WindowsSocketsDLL
{MessageBeep(MB_ICONSTOP);
MessageBox("Winsock无法初始化!
",AfxGetAppName(),MB_OK|MB_ICONSTOP);
WSACleanup();
return;}
else
WSACleanup();
if(gethostname(chInfo,sizeof(chInfo)))
{ReportWinsockErr("\n无法获取主机!
\n");
return;}
CStringcsWinsockID="\n==>>服务器功能开启在端口:
No.";
csWinsockID+=itoa(m_pDoc->m_nServerPort,chInfo,10);
csWinsockID+="\n";
PrintString(csWinsockID);//在程序视图显示提示信息的函数,可自行创建
m_pDoc->m_hServerSocket=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,DEFAULT_PROTOCOL);
//创建服务器端Socket,类型为SOCK_STREAM,面向连接的通信
if(m_pDoc->m_hServerSocket==INVALID_SOCKET)
{ReportWinsockErr("无法创建服务器socket!
");
return;}
m_pDoc->m_sockServerAddr.sin_family=AF_INET;
m_pDoc->m_sockServerAddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
m_pDoc->m_sockServerAddr.sin_port=htons(m_pDoc->m_nServerPort);
if(bind(m_pDoc->m_hServerSocket,(LPSOCKADDR)&m_pDoc->m_sockServerAddr,
sizeof(m_pDoc->m_sockServerAddr))==SOCKET_ERROR)//与选定的端口绑定
{ReportWinsockErr("无法绑定服务器socket!
");
return;}
iErrorCode=WSAAsyncSelect(m_pDoc->m_hServerSocket,m_hWnd,
WM_SERVER_ACCEPT,FD_ACCEPT);
//设定服务器相应的网络事件为FD_ACCEPT,即连接请求,
//产生相应传递给窗口的消息为WM_SERVER_ACCEPT
if(iErrorCode==SOCKET_ERROR)
{ReportWinsockErr("WSAAsyncSelect设定失败!
");
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