C++中如何利用socket建立通信【基础篇】？

作者：Flemington | 发布时间： | 更新时间：

一、TCP/IP协议与Socket

  1. socket属于抽象层，也就是应用层和传输层中间的那个；通过对下层协议的封装以方便应用层的使用。
  2. TCP的三次握手是什么样的呢？ 首先服务器处于监听状态，客户机请求连接服务器，首先发送一个同步序列，也就是SYN_i，进入同步发送状态，这就是第一次握手； 服务器收到这个同步序列之后，确认同步序列，并发送ACK_i+1 + SYN_j的数据包给客户机，进入同步接收状态，也就是SYN_RECV，这就是第二次握手； 客户机收到同步序列并确认后，进入连接状态，再次发送确认确认包ACK_J+1，然后客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，这就是第三次握手。 其中，SYN(synchronize)是请求同步的意思，ACK是确认同步的意思。

那socket中服务器和客户机间的通信是什么样的呢？

首先，服务器和客户机都需要创建socket，服务器需要通过绑定操作也就是bind来将本地地址和套接字相关联，然后服务器进入监听状态，等待客户机连接；这个部分就相当于三次握手。

然后服务器和客户机之间可以通过send和receive来发送和接收信息。

二、编写一个利用socket + TCP建立通信的实例

1. 关于winsock2.h库

参考官方文档，可以看到需要传入wVersionRequested和lpWSAData这两个参数，前者表示可以使用的Windows套接字规范的最高版本，其中高位字节指定次要版本号； 低位字节指定主要版本号；后者表示一个指向WSADATA数据结构的指针，用于接收Windows套接字实现的详细信息。

官方给出了这么一段例子：

#define WIN32_LEAN_AND_MEAN

#include <windows.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <stdio.h>

// Need to link with Ws2_32.lib
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")


int __cdecl main()
{

    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err;

/* Use the MAKEWORD(lowbyte, highbyte) macro declared in Windef.h */
    wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);

    err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
    if (err != 0) {
        /* Tell the user that we could not find a usable */
        /* Winsock DLL.                                  */
        printf("WSAStartup failed with error: %d\n", err);
        return 1;
    }

/* Confirm that the WinSock DLL supports 2.2.*/
/* Note that if the DLL supports versions greater    */
/* than 2.2 in addition to 2.2, it will still return */
/* 2.2 in wVersion since that is the version we      */
/* requested.                                        */

    if (LOBYTE(wsaData.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsaData.wVersion) != 2) {
        /* Tell the user that we could not find a usable */
        /* WinSock DLL.                                  */
        printf("Could not find a usable version of Winsock.dll\n");
        WSACleanup();
        return 1;
    }
    else
        printf("The Winsock 2.2 dll was found okay\n");


/* The Winsock DLL is acceptable. Proceed to use it. */

/* Add network programming using Winsock here */

/* then call WSACleanup when done using the Winsock dll */

    WSACleanup();

}

利用WSAStartup这个函数传入两个参数，第一个参数利用MAKEWORD宏来确定参数的版本；第二个参数wsaData传入WSADATA类型的结构体变量的指针来获取启动信息。

运行该example：

我们在23行这里下断点，然后调试：

可以看到err是0，并且确实是用到了WinSock 2.0，也就是说Winsock启动成功。

2. 一些前置知识

由于36-44行是检查版本的，因此可以直接去掉：

打开官方文档，搜索socket function，可以看到需要传入三个参数：

第一个参数af是指定地址族，有ipv4、ipx、AppleTalk、网络基本输入输出系统、ipv6以及蓝牙地址族；

第二个参数type是套接字的类型，比如流格式、数据报等；

第三个参数protocol则是所使用的协议，比如ICMP、IGMP、TCP、UDP这些。

而如果没有出错的话，则会返回创建的socket的描述符，否则返回错误信息，具体报错关键字可以参考官方文档。

然后关于绑定套接字的话需要用到bind，具体参考官方文档：

第一个参数是未绑定的套接字；第二个参数是指向套接字地址类型的指针；第三个参数是name参数指向的值的长度，以字节为单位。

关于第二个参数的套接字地址类型，官方文档给出了讲解，我们关注IPV4的这块：

可以看到包含了地址族、端口、ip地址等。

客户机监听的话需要用到listen方法，可以参考官方文档：

第一个参数表示监听的socket，一般是服务器的；第二个参数是待连接队列的最大长度。

然后如没出错的话就返回0，如果出错了就返回对应的报错内容。

然后我们还需要处理连接请求，也就是accept方法，具体参考官方文档：

第一个参数是监听者的套接字，一般是服务器的；第二个参数是监听者的套接字地址信息，一般是服务器的ip地址；第三个参数是待连接队列的最大长度，一般就是iP地址的长度。

返回值是接收者也就是客户机的描述符。

除了这些，还需要接收，可以参考官方文档：

第一个参数连接进来的socket，一般是客户机的socket；第二个参数是指向接收数据的缓冲区的指针；第三个参数是接受数据的长度；第四个参数是功能标志，一般设为0；

如果没出错就返回接受到的字节数，出错了就返回相关错误代码。

3. 尝试编写代码，进行socket通信

知道了这些东西之后我们就可以改下我们的代码实现socket连接了：

首先需要创建一个socket，只需要这一行代码：

SOCKET my_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

然后进行参数创建和绑定：

sockaddr_in my_server_addr;
my_server_addr.sin_family = AF_INET;
my_server_addr.sin_port = htons(6666); //htons负责把参数转化成TCP/IP的网络字节序；6666是服务器的端口。
my_server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.44.1"); //这里填入服务器IP
bind(my_server, (sockaddr*)&my_server_addr, sizeof(my_server_addr)); //把套接字和服务器进行绑定

这里我在本机进行试验，服务器是我的宿主机，IP为192.168.44.1，客户机是我的kali虚拟机，ip地址为192.168.44.132。

然后进行监听的创建：

listen(my_server, 5);

然后创建客户机的socket：

sockaddr_in my_client_addr;
int my_client_length = sizeof(my_client_addr);
SOCKET my_client = accept(my_server, (sockaddr*)&my_client_addr,&my_client_length); 
//在没有连接到来的时候，listen函数一直处于阻塞的状态。

然后是接收的部分：

char recvdata[1024] = { 0 };
recv(my_client,recvdata,1023,0); //设置1023是为了防止溢出

到此服务器部分的代码写完了，完整的就是：

#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS

#include <windows.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <stdio.h>
#include<iostream>

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
using namespace std;

int __cdecl main()
{

    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err;
    wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);

    err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
    if (err != 0) {
        printf("WSAStartup failed with error: %d\n", err);
        return 1;
    }

    SOCKET my_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    sockaddr_in my_server_addr;
    my_server_addr.sin_family = AF_INET;
    my_server_addr.sin_port = htons(6666); //htons负责把参数转化成TCP/IP的网络字节序；6666是服务器的端口。
    my_server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.44.1"); //这里填入服务器IP
    bind(my_server, (sockaddr*)&my_server_addr, sizeof(my_server_addr)); //把套接字和服务器进行绑定

    listen(my_server, 5);
    cout << "正在监听..." << endl;

    sockaddr_in my_client_addr;
    int my_client_length = sizeof(my_client_addr);
    SOCKET my_client = accept(my_server, (sockaddr*)&my_client_addr,&my_client_length); //在没有连接到来的时候，listen函数一直处于阻塞的状态。

    char recvdata[1024] = { 0 };
    recv(my_client,recvdata,1023,0); //设置1023是为了防止溢出

    cout << recvdata <<endl;

    WSACleanup();

    return 0;
}

需要注意的是，以上代码是适用于Windows系统的，如果是Linux系统的话，则为：

#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<iostream>
using namespace std;
int main(){
    socklen_t my_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    sockaddr_in my_server_addr;
    my_server_addr.sin_family = AF_INET;
    my_server_addr.sin_port = htons(6666); //htons负责把参数转化成TCP/IP的网络字节序；6666是服务器的端口。
    my_server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.44.1"); //这里填入服务器IP
    bind(my_server, (sockaddr*)&my_server_addr, sizeof(my_server_addr)); //把套接字和服务器进行绑定

    listen(my_server, 5);
    cout << "正在监听..." << endl;

    sockaddr_in my_client_addr;
    int my_client_length = sizeof(my_client_addr);
    socklen_t my_client = accept(my_server, (sockaddr*)&my_client_addr,&my_client_length); //在没有连接到来的时候，listen函数一直处于阻塞的状态。

    char recvdata[1024] = { 0 };
    recv(my_client,recvdata,1023,0); //设置1023是为了防止溢出

    cout << recvdata <<endl;

    return 0;
}

接下来写客户机的代码。

#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS

#include <windows.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <stdio.h>
#include<iostream>

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
using namespace std;

int __cdecl main()
{

    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err;
    wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);

    err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
    if (err != 0) {
        printf("WSAStartup failed with error: %d\n", err);
        return 1;
    }

    SOCKET my_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    sockaddr_in my_server_addr;
    my_server_addr.sin_family = AF_INET;
    my_server_addr.sin_port = htons(6666); //htons负责把参数转化成TCP/IP的网络字节序；6666是服务器的端口。
    my_server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.44.1"); //这里填入服务器IP

    connect(my_client, (sockaddr*)&my_server_addr, sizeof(my_server_addr));

    send(my_client, "这里是W01fh4cker，很高兴认识你！", sizeof("这里是W01fh4cker，很高兴认识你！"), 0);


    WSACleanup();

    return 0;

}

同样的这段代码在Linux上面应该这么写：

#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<iostream>
using namespace std;
int main(){
    socklen_t my_client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    sockaddr_in my_server_addr;
    my_server_addr.sin_family = AF_INET;
    my_server_addr.sin_port = htons(6666); //htons负责把参数转化成TCP/IP的网络字节序；6666是服务器的端口。
    my_server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.44.1"); //这里填入服务器IP

    connect(my_client, (sockaddr*)&my_server_addr, sizeof(my_server_addr));

    send(my_client, "这里是W01fh4cker，很高兴认识你！", sizeof("这里是W01fh4cker，很高兴认识你！"), 0);
}

我们在Windows上面运行服务器端：

在Linux中运行起客户端：

发现成功接收：

三、编写一个利用socket + UDP建立通信的实例

由于udp的其中一个特点是无连接，也就是不需要建立连接即可通信，因此上面的代码里面的监听、接收的部分就可以去掉了。

首先需要改动的是socket的创建需要变化成如下形式：

SOCKET my_server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

对于tcp，收发数据是recv函数，而udp则是recvfrom函数。对于该函数，官方文档里面的描述是这样的：

和tcp的recv函数不同的是，第一个参数并不是客户机的socket，而是服务器的socket；第二到四个参数都是和recv函数一样的；第五个参数from是一个socket地址类型的指针，用来把保存接收数据包的源地址；第六个参数是地址长度。

{% message color:success size:medium icon:fa-brands fa-node-js title:试验环境说明（与前文不同！） %}
在本文中，我的服务器是Linux系统，ip为92.168.44.132；客户机为Windows系统。
{% endmessage %}

现在我们来改写一下服务端的代码：

#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<iostream>
#include<errno.h>
using namespace std;
int main()
{
    socklen_t my_server = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    sockaddr_in my_server_addr,my_client_addr;
    my_server_addr.sin_family = AF_INET;
    my_server_addr.sin_port = htons(1012); //htons负责把参数转化成TCP/IP的网络字节序；1012是服务器的端口。
    my_server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    int result = bind(my_server, (sockaddr*) & my_server_addr, sizeof(my_server_addr)); //把套接字和服务器进行绑定
    if (result == -1){
       wprintf(L"[-]套接字绑定失败 :(，错误原因为： %u\n", errno);
    }else{
      cout << "[+]套接字绑定成功！" << endl;
    }

    char recvdata[1024] = { 0 };
    cout << "[*] 开始监听..." << endl;
    socklen_t my_client_addr_length = sizeof(my_client_addr);
    while(1){
      result = recvfrom(my_server, recvdata, 1023, 0, (sockaddr*)&my_client_addr, &my_client_addr_length);
      if(result != 0){
        cout << "[+] 接受成功！接受数据为： " << recvdata << endl;
      }else{
        cout << "[-] 接受失败 :(" << endl;
      }
    }
    return 0;
}

再改写一下客户机的代码：

#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS

#include <windows.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <stdio.h>
#include<iostream>

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
using namespace std;

int main() {

    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;
    int err;
    wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);

    err = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
    if (err != 0) {
        printf("WSAStartup failed with error: %d\n", err);
        return 1;
    }
    SOCKET my_client = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    sockaddr_in my_server_addr;

    my_server_addr.sin_family = AF_INET;
    my_server_addr.sin_port = htons(1012); //htons负责把参数转化成TCP/IP的网络字节序；1012是服务器的端口。
    my_server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.44.132"); //这里填入服务器IP

    err = sendto(my_client, "This is W01fh4cker, nice to meet you!", sizeof("This is W01fh4cker, nice to meet you!"), 0, (sockaddr * ) & my_server_addr, sizeof(my_server_addr));
    if (err == SOCKET_ERROR) {
        wprintf(L"sendto failed with error: %d\n", WSAGetLastError());
        closesocket(err);
        WSACleanup();
        return 1;
    }
    else {
        cout << "发送成功！发送字符串长度为：" << err << endl;
    }
    WSACleanup();
    return 0;
}
标签：socket, sizeof, 通信, 套接字