c++: websocket 客户端与服务端之间的连接交互

2023-11-08

socket

头文件

延迟时间

socket

用于描述地址和端口，是一个通信链句柄。

套接字编程有三种：

流式套接字（SOCK_STREAM）：面向连接，准确无误，但效率慢，要求数据正确性。
数据报套接字（SOCK_DGRAM）：无连接，只传输，无数据校验、效率高。

头文件

#include <WinSock2.h>
#include <WS2tcpip.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

延迟时间

struct timeval {
        long    tv_sec;         /* seconds */
        long    tv_usec;        /* microseconds */
};

tv_sec : 毫秒；
tx_usec : 微妙。

通信协议地址

#include <netinet/in.h>

// ipv4
struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family; // 地址族（Address Family)
    uint16_t sin_port; // 16位TCP/UDP端口号
    struct in_addr sin_addr; // 32位 IP地址
    char sin_zero[8]; // 不使用
}

struct in_addr
{
    In_addr_t s_addr; // 32位 IPv4地址
}

sin_port、sin_addr : 必须是网络字节序（NBO）；
一般可视化数字 : 主机字节序（HBO）;
该结构体解决了 sockaddr（sin_family、sa_data[14]）的缺陷：把目标地址和端口信息混合在一起；
sockaddr_in 是 internet 环境下套接字的地址形式；

补充如下：

// ipv6
struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};
struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */

TCP/IP

客户端向服务器发出请求，服务器接收请求后，提供相应的服务。

服务端

建立 socket，声明自身的端口号和地址并绑定到 socket，使用 listen 打开监听，然后不断用 accept 去查看是否有连接，有就捕获 socket，并通过 recv 获取消息的内容，通信完成后调用 closeSocket 关闭这个对应 accept 到的 socket ，如果不再需要等待则 closeSocket 关闭自身 socket。

客户端

建立 socket，通过端口号和地址确定目标服务器，使用 Connect 连接到服务器，send 发送消息，等待处理，通信完成后调用 closeSocket 关闭 socket。

编程步骤

服务端

1、加载套接字库，创建套接字（WSAStartup() / socket() ）;

2、绑定套接字到一个 IP 地址和一个端口上（ bind() ）;

3、将套接字设置为监听模式等待连接请求（ listen() ）;

4、请求到后，接收连接请求，返回一个新的对应于此连接的套接字（ accept() ）;

5、用返回的套接字和客户端进行通信（send() / recv()）;

6、返回，等待另一个连接请求；

7、关闭套接字，关闭加载的库（closeSocket() / WSACleanup()）。

客户端

1、加载套接字库，创建套接字（WSAStartup() / socket()）；

2、向服务器发出连接请求（connect()）；

3、和服务器进行通信（send() / recv()）；

4、关闭套接字，关闭加载的套接字库（closesocket() / WSACleanup()）；

编程步骤

1. 初始化 WSAStartup

WSAStartup 必须是第一个 Windows 套接字函数。它允许指定 Windows 套接字版本，并检索特定 Windows 套接字实现的详细信息。

int WSAAPI WSAStartup(
  [in]  WORD      wVersionRequested, // 版本2.2 —— 0x0202 —— MAKEWORD(2,2)
  [out] LPWSADATA lpWSAData
);

[in] wVersionRequested

调用方可以使用的最高版本的 Windows 套接字规范。高顺序字节指定次要版本号;低顺序字节指定主版本号。
[out] lpWSAData

指向 WSADATA 数据结构的指针，该结构用于接收 Windows 套接字实现的详细信息。

如果 WSADATA 结构的 wVersion 成员对调用方不可接受的，则应用程序或 DLL 应调用 WSACleanup 来释放 Winsock DLL 资源，并且无法初始化 Winsock 应用程序。

2. 创建 socket

创建的 socket 默认是一个主动类型的。

SOCKET socket(
    int domain, // 协议族
    int type, // socket 类型
    int protocol // 协议类型
);

2.1 协议族

domain，指明通信域，决定了 socket 的地址类型。

名称	含义	名称	含义
PF_UNIX, PF_LOCAL	本地通信	PF_X25	ITU-T X25 / ISO-8208协议
AF_INET, PF_INET	IPv4 Internet协议	PF_AX25	Amateur radio AX.25
PF_INET6	IPv6 Internet协议	PF_ATMPVC	原始ATM PVC访问
PF_IPX	IPX-Novell协议	PF_APPLETALK	Appletalk
PF_NETLINK	内核用户界面设备	PF_PACKET	底层包访问

2.2 socket 类型

type，指定通信类型，常用的有 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM。

名称	含义
SOCK_STREAM	TCP 连接，提供序列化的、可靠的、双向连接的字节流。支持带外数据传输
SOCK_DGRAM	支持 UDP 连接（无连接状态的消息）
SOCK_SEQPACKET	序列化包，提供一个序列化的、可靠的、双向的基本连接的数据传输通道，数据长度定常。每次调用读系统调用时数据需要将全部数据读出
SOCK_RAW	RAW 类型，提供原始网络协议访问
SOCK_RDM	提供可靠的数据报文，可能数据会有乱序
SOCK_PACKET	一个专用类型，不能在通用程序中使用

2.3 协议

protocol，指定协议，对于 TCP 可指定为 IPPROTO_TCP，UDP 可为 IPPROTO_UDP。

协议	名称
IPPROTO_TCP	TCP 传输协议
IPPROTO_TCP	UDP 传输协议
IPPROTO_SCTP	STCP 传输协议
IPPROTO_TIPC	TIPC 传输协议
0	默认对应 type 的协议

3. 绑定 bind （服务端）

int bind(
    SOCKET sockfd, // 创建的 socket
    const struct sockaddr_in *addr, // 通信协议地址
    socklen_t addrlen // 对应协议地址的长度
);

4. 监听 listen（服务端）

将 socket 变为被动类型的，等待客户端的连接请求。

int listen(
    SOCKET sockfd, // 监听的 socket 描述字
    int backlog // 相应 socket 可排队的最大连接个数
);

5. 请求连接 connect（客户端）

int connect(
    SOCKET sockfd, // 连接的 socket 描述字
    const struct sockaddr_in *addr, // 通信协议地址 
    socklen_t addrlen // socket 地址长度
);

通信协议地址赋值：

赋值地址：
- inet_pton(AF_INET, “127.0.0.1”, &addr.sin_addr)；
- addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(“127.0.0.1”);
赋值端口：
- addr.sin_port = htons(8008);

6. 接收请求 accept（服务端）

SOCKET accept(
    SOCKET sockfd, // 服务器的 socket 描述字，监听 socket 描述字
    struct sockaddr_in *addr, // 通信协议地址
    socklen_t *addrlen // 协议地址的长度
);

返回值是一个由内核自动生成的全新 socket 描述字，代表与返回客户端的 TCP 连接。

7. 发送数据 send（客户端）

int WSAAPI send(
  [in] SOCKET     sockfd, // 连接的 socket 描述字
  [in] const char *sendbuf, // 发送的多字节数据缓冲区
  [in] int        buflen, // 发送多字节长度
  [in] int        flags // 指定进行调用的方式
);

// Linux
// read()

buflen :
- 大于发送缓冲区的长度，返回 SOCKET_ERROR；
- 小于或等于时，send 先检查协议是否在发送 socket 数据，是则等待发送完，否则就进行比较 socket 发送缓冲区的剩余空间：
  - 大于剩余空间大小，则一直等待 socket 发送完；
  - 小于剩余空间大小，则将 sendbuf 数据 copy 到剩余空间中。
flags :

MSG_DONTROUTE	指定不应对数据进行路由。Windows 套接字服务提供商可以选择忽略此标志。
MSG_OOB	发送 OOB 数据（流样式套接字，例如仅SOCK_STREAM）。

8. 接收数据 recv（服务端）

int WSAAPI recv(
  [in] SOCKET     sockfd, // 标识连接的 socket 描述字
  [in] const char *recvbuf, // 接收的多字节数据缓冲区
  [in] int        buflen, // 接收的多字节长度
  [in] int        flags // 指定进行调用的方式
);

// Linux
// read()

recvbuf : 接收数据之前，必须 memset 进行清空，接收的数据不一定填满空间；
返回值：
- 未发生错误，则将返回接收到的字符数，recvbuf 指向的缓冲区将包含接收的数据；
- 如果连接已正常关闭，则返回 0；
- 否则返回 SOCKET_ERROR ，通过调用 WSAGetLastError 来检索特定的错误代码。

错误代码：recv 函数 (winsock2.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

9. 关闭 closesocket

int closesocket(
  [in] SOCKET s
);

无异常，返回 0 ；

否则将返回一个 SOCKET_ERROR 值：

错误代码	意义
WSANOTINITIALISED	未初始化调用 WSAStartup
WSAENETDOWN	网络子系统出现故障
WSAENOTSOCK	描述符不是套接字
WSAEINPROGRESS	阻止 Windows 套接字 1.1 调用正在进行中，或者服务提供商仍在处理回调函数。
WSAEINTR	（阻止）Windows Socket 1.1 调用已通过 WSACancelBlockingCall 取消。
WSAEWOULDBLOCK	套接字标记为非阻塞，但延迟结构的 l_onoff 成员设置为非零，l_linger 成员的延迟结构设置为非零超时值。

补充：close 标记 TCP socket 为已关闭，不可作为读写数据的第一个参数：
// Linux
#include <unistd.h>
int close(int fd);
注意：close 只是使 socket 描述字的引用计数 -1，当引用计数为 0 才会触发 TCP 客户端向服务器发送终止连接请求。

10. 停止使用 WSACleanup

int WSACleanup();

返回值：

无异常返回 0；

否则，返回 SOCKET_ERROR 值，调用 WSAGetLastError 来检索特定的错误代码。

错误代码	意义
WSANOTINITIALISED*	未初始化调用 WSAStartup
WSAENETDOWN	网络子系统出现故障
WSAEINPROGRESS	阻止 Windows 套接字 1.1 调用正在进行中，或者服务提供商仍在处理回调函数。

实例

服务端

#include <stdio.h>  
#include <winsock2.h>  

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")  

int main(int argc, char* argv[])  
{  
    //初始化WSA  
    WORD sockVersion = MAKEWORD(2,2);  
    WSADATA wsaData;  
    if(WSAStartup(sockVersion, &wsaData)!=0)  
    {  
        return 0;  
    }  

    //创建套接字  
    SOCKET slisten = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  
    if(slisten == INVALID_SOCKET)  
    {  
        printf("socket error !");  
        return 0;  
    }  

    //绑定IP和端口  
    sockaddr_in sin;  
    sin.sin_family = AF_INET;  
    sin.sin_port = htons(8888);  
    sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;   
    if(bind(slisten, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR)  
    {  
        printf("bind error !");  
    }  

    //开始监听  
    if(listen(slisten, 5) == SOCKET_ERROR)  
    {  
        printf("listen error !");  
        return 0;  
    }  

    //循环接收数据  
    SOCKET sClient;  
    sockaddr_in remoteAddr;  
    int nAddrlen = sizeof(remoteAddr);  
    char revData[255];   
    while (true)  
    {  
        printf("等待连接...\n");  
        sClient = accept(slisten, (SOCKADDR *)&remoteAddr, &nAddrlen);  
        if(sClient == INVALID_SOCKET)  
        {  
            printf("accept error !");  
            continue;  
        }  
        printf("接受到一个连接：%s \r\n", inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr));  

        //接收数据  
        int ret = recv(sClient, revData, 255, 0);         
        if(ret > 0)  
        {  
            revData[ret] = 0x00;  
            printf(revData);  
        }  

        //发送数据  
        const char * sendData = "你好，TCP客户端！\n";  
        send(sClient, sendData, strlen(sendData), 0);  
        closesocket(sClient);  
    }  

    closesocket(slisten);  
    WSACleanup();  
    return 0;  
}

客户端

#include<WINSOCK2.H>
#include<STDIO.H>
#include<iostream>
#include<cstring>
using namespace std;
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

int main()
{
    WORD sockVersion = MAKEWORD(2, 2);
    WSADATA data;
    if(WSAStartup(sockVersion, &data)!=0)
    {
        return 0;
    }
    while(true){
        SOCKET sclient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
        if(sclient == INVALID_SOCKET)
        {
            printf("invalid socket!");
            return 0;
        }

        sockaddr_in serAddr;
        serAddr.sin_family = AF_INET;
        serAddr.sin_port = htons(8888);
        serAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
        if(connect(sclient, (sockaddr *)&serAddr, sizeof(serAddr)) == SOCKET_ERROR)
        {  //连接失败 
            printf("connect error !");
            closesocket(sclient);
            return 0;
        }

        string data;
        cin>>data;
        const char * sendData;
        sendData = data.c_str();   //string转const char* 
        //char * sendData = "你好，TCP服务端，我是客户端\n";
        send(sclient, sendData, strlen(sendData), 0);
        //send()用来将数据由指定的socket传给对方主机
        //int send(int s, const void * msg, int len, unsigned int flags)
        //s为已建立好连接的socket，msg指向数据内容，len则为数据长度，参数flags一般设0
        //成功则返回实际传送出去的字符数，失败返回-1，错误原因存于error 

        char recData[255];
        int ret = recv(sclient, recData, 255, 0);
        if(ret>0){
            recData[ret] = 0x00;
            printf(recData);
        } 
        closesocket(sclient);
    }

    WSACleanup();
    return 0;    
}

异常

undefined reference to '_imp_WSAStartup‘

解决方案：vs 属性工具 -> 编译选项 -> 链接器命令行 -> 命令添加 -lwsock32。

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