Windows下网络编程(win32API+VS2022)

DS小龙哥

发布于 2024-05-24 08:31:03

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发布于 2024-05-24 08:31:03

文章被收录于专栏：嵌入式项目开发嵌入式项目开发

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：