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1、第3章 WinSock基础,3.1 基本概念 3.2 WinSock编程原理 3.3 WinSock I/O模型 3.4 WinSock 2的扩展特性 3.5 套接字选项和I/O控制命令 习题与思考题,3.1 基 本 概 念,3.1.1 套接字及类型 套接字(socket)是网络通信的基本构件，是可以被命名和寻址的通信端点，使用中的每一个套接字都有其类型和与之相连的进程。 套接字存在于通信区域中，通信区域也称地址族，是个抽象概念，主要用于将通过套接字通信的进程的共有特性综合在一起。套接字通常只与同一区域中的套接字交换数据(也可跨区域通信，但要执行某种转换进程之后才能实现)。Windows So
2、ckets只支持一个通信区域：网际域(AF-INET)，这个域被使用网际协议族通信的进程所使用。,套接字都具有不同类型，是根据用户可见的通信特征进行分类的。应用程序被假定为只在同一类型的套接字间通信，不过只要通信协议支持，也可在不同类型的套接字间通信。 TCP/IP的socket提供三种类型的套接字： * 流式套接字(SOCK_STREAM)：提供一个面向连接的、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。内设流量控制，避免数据流超限；数据被看作是字节流，无长度限制。文件传输协议(FTP)即使用流式套接字。,* 数据报式套接字(SOCK_DGRAM)：提供一个无连接服务。数
3、据报以独立包形式被发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，且接收顺序混乱。网络文件系统(NFS)使用数据报式套接字。 * 原始式套接字(SOCK_RAW)：该接口允许对较低层协议，如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。,3.1.2 网间进程通信 1. 端口 网络中可以被命名和寻址的通信端口是操作系统可分配的一种资源。按照OSI协议的描述，传输层与网络层在功能上的最大区别是传输层提供进程通信，从这个意义上讲，网络通信的最终地址不仅仅是主机地址，还包括可以描述进程的某种标识符。为此，TCP/IP协议提出可协议端口(protocol port，简称端口)的概
4、念，用于标识通信的进程。,端口是一种抽象的软件结构(包括一些数据结构和I/O缓冲区)。应用程序(进程)通过系统调用与某端口建立连接(binding)后，传输层传给该端口的数据都被相应进程所接收，相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出。在TCP/IP协议的实现中，端口操作类似一般的I/O操作，进程获取一个端口，相当于获取本地唯一的I/O文件。 类似于文件描述符，每个端口都拥有一个叫端口号(port number)的整数型标识符，用于区别不同的端口。由于TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块，因此各自的端口号也相互独立。,端口号的分配是个重要问题，有两种基本分配方式：
5、全局分配和本地分配。全局分配是一种集中控制方式，由一个公认的中央机构根据用户需要进行统一分配，并将结果公布于众。本地分配又称动态连接，即进程需要访问传输层服务时，向本地操作系统提出申请，操作系统返回一个本地唯一的端口号，进程再通过合适的系统调用，将自己与该端口号联系起来。TCP/IP中端口号的分配综合了上述两种方式，TCP/IP将端口号分为两部分，少量的作为保留端口，以全局方式分配给服务进程，因此每个标准服务器都拥有一个全局公认的端口即周知口(well-known port)，即使在不同机器上，其端口号也相同。剩余的为自由端口，以本地方式进行分配。TCP和UDP均规定，小于256的端口号才能作
6、保留端口。,2. 地址 网络通信中通信的两个进程在不同的机器上。这两个机器可能位于不同的网络，这些网络通过网络互联设备(网关、网桥、路由器等)连接。因此需要如下三级寻址： * 某一主机与多个网络相连，必须指定一特定网络地址； * 网络上每一主机应有唯一的地址； * 每一主机上的每一进程应有在该主机上的唯一标识符。 通常主机地址由网络ID和主机ID组成，在TCP/IP协议中用32位整数值表示；TCP和UDP均使用16位端口号标识用户进程。,3. 网络字节顺序 不同计算机存放多字节值的顺序不同，为保证数据的正确性，在网络协议中需要指定网络字节顺序。TCP/IP协议使用16位整数和32位整数的高位先
7、存格式，它们均含在协议头文件中。 4. 连接 两个进程间的通信链路称为连接。连接在内部表现为一些缓冲区和一组协议机制，在外部表现出比无连接高的可靠性。,5. 半相关 综上所述，网络中用一个三元组(协议，本地地址，本地端口号)可以在全局唯一标志一个进程，这个三元组叫半相关(half-association)，它指定连接的每半部分。 6. 全相关 一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，且只能使用同一种高层协议。即不可能通信的一端用TCP协议，另一端用UDP协议。因此一个完整的网间通信需要用一个五元组(协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号)来标识，这个五元组叫全相关(associat
8、ion)，即两个协议相同的半相关才能组成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。,3.1.3 服务方式 1. 面向连接(虚电路)或无连接 面向连接服务是电话系统服务模式的抽象，每一次完整的数据传输都要经过建立连接、使用连接、终止连接的过程。在数据传输过程中，各数据分组但不携带目的地址，而使用连接号(connect ID)。本质上，连接是一个管道，收发数据不但顺序一致，而且内容相同。TCP协议提供面向连接的虚电路。 无连接服务是邮政系统服务的抽象，每个分组都携带完整的目的地址，各分组在系统中独立传送。无连接服务不能保证分组的先后顺序，不进行分组出错的恢复和重传，不保证传输的可靠性。UDP协议提供无
9、连接的数据报服务。,2. 顺序 在网络传输中，两个连续报文在端到端通信中可能经过不同的路径，这样到达目的地址时的顺序可能与发送时不同。“顺序”是指接收数据顺序与发送数据顺序相同。TCP协议提供这项服务。 3. 差错控制 差错控制是保证应用程序接收的数据无差错的一种机制。检查差错的方法一般是采用检验“校验和”(Checksum)的方法，而保证传输无差错的方法是双方采用确认应答技术。TCP协议提供这项服务。,4. 流控制 流控制是在数据传输过程中控制数据传输速率的一种机制，以保证数据不丢失。TCP协议提供这项服务。 5. 字节流 字节流方式是指仅把传输中的报文看作是一个字节序列，不提供数据流的任何
10、边界。TCP协议提供这项服务。 6. 报文 接收方要保存发送方的报文边界。UDP协议提供这项服务。,7. 全双工/半双工 全双工/半双工是指端与端之间的数据同时向两个方向或一个方向传送。 8. 缓存/带外数据 在字节流服务中，由于没有报文边界，用户进程在某一时刻可以读/写任意数量的字节。为保证传输正确或采用有流控制的协议，都要进行缓存。但对某些特殊的需求，如交互式应用程序，又会要求取消这种缓存。,3.1.4 客户机/服务器模式 在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户机/服务器模式(Client/Server Model)，即客户机向服务器发出服务请求，服务器接收到请
11、求后，提供相应的服务。客户机/服务器模式的建立基于以下两点：首先，建立网络的起因是网络中软/硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而形成拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对称的情况。其次，网间进程通信完全是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基于客户机/服务器模式的TCP/IP。,客户机/服务器模式在操作过程中采取主动请求方式： (1) 服务器方启动，并根据请求提供相应的服务： * 打开一通信通道并告知本地主机，它愿意在某公认地址(如FTP:21)上接收客户请求。
12、* 等待客户请求到达该端口。 * 接收到重复服务请求，处理该请求并发送应答信号。接收到并发服务请求，要激活一新进程来处理这个客户请求(如UNIX系统中用fork、exec)。新进程处理此客户请求，并不需要对其他请求作出应答。 * 返回第二步，等待另一客户请求。 * 关闭服务器。,(2) 客户机方： * 打开一通信通道，并连接到服务器所在地的主机特定端口。 * 向服务器发送服务请求报文，等待并接收应答，继续提出请求。 * 请求结束后关闭通信通道并终止。 从上面描述的过程可知： * 客户机与服务器进程的作用是非对称的，因此编码不同。 * 服务进程一般是先于客户机请求而启动的，只要系统运行，该服务进
13、程一直存在，直到正常终止或强迫终止。,3.1.5 WinSock对Socket的扩充 Windows Sockets是从Berkeley Sockets扩展而来的，并在继承Berkeley Sockets的基础上进行了新的扩充。这些扩充主要是提供了一些异步函数，并增加了符合Windows消息驱动特性的网络事件异步选择机制。 Windows Sockets由两部分组成：开发组件和运行组件。开发组件：Windows Sockets 实现文档、应用程序接口(API)引入库和一些头文件。运行组件：Windows Sockets应用程序接口的动态链接库(Winsock.dll)。,1. 异步选择机制 W
14、indows Sockets的异步选择函数提供了消息机制的网络事件选择，当使用它登记的网络事件发生时，Windows应用程序相应的窗口函数将收到一个消息，消息中指示了发生的网络事件以及与事件相关的一些信息。Windows Sockets提供了一个异步选择函数 WSAAsyncSelect()，用它来注册应用程序感兴趣的网络事件，当这些事件发生时，应用程序相应的窗口函数将收到一个消息。,2. 异步请求函数 异步请求函数允许应用程序用异步方式获得请求的信息，且在请求的服务完成时给应用程序相应的窗口函数发送一个消息。,3. 阻塞处理方法 Windows Sockets为了实现当一个应用程序的套接字调
15、用处于阻塞时，能够放弃CPU让其他应用程序运行，它在调用处于阻塞时便进入一个叫“HOOK”的例程，此例程负责接收和分配Windows消息，这使得其他应用程序仍然能够接收到自己的消息并取得控制权。 Windows是非抢先的多任务环境，即若一个程序不主动放弃其控制权，别的程序就不能执行。因此在设计Windows Sockets程序时，尽管系统支持阻塞操作，但还是不提倡程序员使用该操作。但由于Sun公司下的Berkeley Sockets的套接字默认操作是阻塞的，因此Windows作为移植的Sockets也不可避免对这个操作的支持。,在Windows Sockets实现中，对于不能立即完成的阻塞操作
16、可做如下处理：DLL初始化循环操作。在循环中，它发送任何Windows消息，并检查这个Windows Sockets调用是否完成，在必要时，它可以放弃CPU让其他应用程序执行(当然使用超线程的CPU就不会有这个麻烦了)。我们可以调用WSACancelBlockingCall()函数取消此阻塞操作。,在Windows Sockets中，有一个默认的阻塞处理例程BlockingHook()可简单地获取并发送Windows消息。如果要对复杂的程序进行处理，Windows Sockets中还有WSASetBlockingHook()函数可供用户安装自己的阻塞处理例程；与该函数相对应的则是WSAUnhookBlockingHook()，它用于删除先前安装的任何阻塞处理例程，并重新安装默认的处理例程。注意，设计自己的阻塞处理例程时，除了函数WSACancelBlockingHook()之外，不能使用其他的WinSock API函数。在处理例程中调用WSACancelBlockingHook()函数将取消处于阻塞的操作并结束阻塞循环。,4. 出错处理 Windows Sockets为了和多线程环境
