Основные шаги программы при использовании WinSock

Для работы с библиотекой Winsock 2.х в исходный тест программы необходимо включить директиву "#include <winsock2.h>", а при использовании для разработки утилит командной строки в командной строке линкера необходимо указать "ws2_32.lib". В Microsoft Visual Studio для этого достаточно нажать <Alt-F7>, перейти к закладке "Link" и к списку библиотек, перечисленных в строке "Object/Library modules", добавить "ws2_32.lib", отделив ее от остальных символом пробела.

Перед началом использования функций библиотеки Winsock ее необходимо подготовить к работе вызовом функции int WSAStartup (WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData ),

передав в старшем байта слова wVersionRequested номер требуемой версии, а в младшем - номер подверсии. Аргумент lpWSAData должен указывать на структуру WSADATA, в которую при успешной инициализации будет занесена информация о производителе библиотеки. Никакого особенного интереса она не представляет, и прикладное приложение может ее игнорировать. Если инициализация не удается, функция возвращает ненулевое значение.

Первый шаг - создание объекта "сокет". Это осуществляется функцией SOCKET socket (int af, int type, int protocol). Первый слева аргумент указывает на семейство используемых протоколов. Для Интернет - приложений он должен иметь значение AF_INET.

Следующий аргумент задает тип создаваемого сокета - потоковый (SOCK_STREAM) или дейтаграммный (SOCK_DGRAM) (еще существуют и сырые сокеты, но они практически не поддерживаются Windows - см раздел "Сырые сокеты").

Последний аргумент уточняет, какой транспортный протокол следует использовать. Нулевое значение соответствует выбору по умолчанию: TCP - для потоковых сокетов и UDP для дейтаграммных. В большинстве случаев нет никакого смысла задавать протокол вручную и обычно полагаются на автоматический выбор по умолчанию.

Если функция завершилась успешно, она возвращает дескриптор сокета, в противном случае - INVALID_SOCKET.

Примечание: дальнейшие шаги зависят от того, является ли приложение сервером или клиентом. Ниже эти два случая будут описаны раздельно.

Клиент: шаг второй - для установки соединения с удаленным узлом потоковый сокет должен вызвать функцию

int connect (SOCKET s, const struct sockaddr FAR* name, int namelen).

Дейтаграмные сокеты работают без установки соединения, поэтому обычно не обращаются к функции connect.

Примечание: за словом "обычно" стоит один полезный прием программирования - вызов connect позволяет дейтаграмному сокету обмениваться данными с узлом не только функциями sendto, recvfrom, но и более удобными и компактными send и recv. Эта тонкость описана в Winsocket SDK и широко используется как самой Microsoft, так и сторонними разработчикам. Поэтому ее использование вполне безопасно.

Первый слева аргумент - дескриптор сокета, возращенный функцией socket; второй - указатель на структуру "sockaddr", содержащую в себе адрес и порт удаленного узла, с которым устанавливается соединение. Структура sockaddr используется множеством функций, поэтому ее описание вынесено в раздел "Об адресах в WinSock". Последний аргумент сообщает функции размер структуры sockaddr.

После вызова connect, система предпринимает попытку установить соединение с указанным узлом. Если по каким-то причинам это сделать не удастся (адрес задан неправильно, узел не существует или "висит", компьютер находится не в сети), функция возвратит ненулевое значение.

Сервер: шаг третий - прежде чем сервер сможет использовать сокет, он должен связать его с локальным адресом. Локальный, как впрочем, и любой другой адрес Интернета, состоит из IP-адреса узла и номера порта. Если сервер имеет несколько IP-адресов, то сокет может быть связан как со всеми ними сразу (для этого вместо IP-адреса следует указать константу INADDR_ANY, равную нулю), так и с каким-то конкретным одним.

Связывание осуществляется вызовом функции

int bind (SOCKET s, const struct sockaddr FAR* name, int namelen).

Первым слева аргументом передается дескриптор сокета, возращенный функций socket, за ним следуют указатель на структуру sockaddr и ее длина (см. раздел "Об адресах в WinSock").

Строго говоря, клиент также должен связывать сокет с локальным адресом перед его использованием, однако за него это делает функция connect, ассоциируя сокет с одним из портов, наугад выбранных из диапазона 1024-5000. Сервер же должен настраиваться на заранее определенный порт, например, 21 для FTP, 23 для telnet, 25 для SMTP, 80 для Web, 110 для POP3 и т.д. Поэтому ему приходится осуществлять связывание "вручную".

При успешном выполнении функция возвращает нулевое значение и ненулевое в противном случае.

Сервер: шаг четвертый - выполнив связывание, потоковый сервер переходит в режим ожидания подключений, вызывая функцию

int listen (SOCKET s, int backlog), где s - дескриптор сокета, а backlog - максимально допустимый размер очереди сообщений.

Размер очереди ограничивает количество одновременно обрабатываемых соединений, поэтому к его выбору следует подходить внимательно. Если очередь полностью заполнена, очередной клиент при попытке установить соединение получит отказ (TCP пакет с установленным флагом RST). В то же время максимально разумное количество подключений определяется производительностью сервера, объемом оперативной памяти и т.д.

Дейтаграммные серверы не вызывают функцию listen, т.к. работают без установки соединения и сразу же после выполнения связывания могут вызывать recvfrom для чтения входящих сообщений, минуя четвертый и пятый шаги.

Сервер: шаг пятый - извлечение запросов на соединение из очереди осуществляется функцией

SOCKET accept (SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen), которая автоматически создает новый сокет, выполняет связывание и возвращает его дескриптор, а в структуру sockaddr заносит сведения о подключившемся клиенте (IP-адрес и порт). Если в момент вызова accept очередь пуста, функция не возвращает управление до тех пор, пока с сервером не будет установлено хотя бы одно соединение. В случае возникновения ошибки функция возвращает отрицательное значение.

Для параллельной работы с несколькими клиентами следует сразу же после извлечения запроса из очереди порождать новый поток (нить, процесс), передавая ему дескриптор созданного функцией accept сокета, затем вновь извлекать из очереди очередной запрос и т.д. В противном случае, пока не завершит работу один клиент, север не сможет обслуживать всех остальных.

Все вместе - после того как соединение установлено, потоковые сокеты могут обмениваться с удаленным узлом данными, вызывая функции

int send (SOCKET s, const char FAR * buf, int len,int flags) и

int recv (SOCKET s, char FAR* buf, int len, int flags)

для посылки и приема данных соответственно.

Функция send возвращает управление сразу же после ее выполнения, независимо от того, получила ли принимающая сторона наши данные или нет. При успешном завершении функция возвращает количество передаваемых (не переданных!) данных - т.е. успешное завершение еще не свидетельствует об успешной доставке! В общем-то, протокол TCP (на который опираются потоковые сокеты) гарантирует успешную доставку данных получателю, но лишь при условии, что соединение не будет преждевременно разорвано. Если связь прервется до окончания пересылки, данные останутся непереданными, но вызывающий код не получит об этом никакого уведомления, а ошибка возвращается лишь в том случае, если соединение разорвано до вызова функции send.

Функция же recv возвращает управление только после того, как получит хотя бы один байт. Точнее говоря, она ожидает прихода целой дейтаграммы. Дейтаграмма - это совокупность одного или нескольких IP пакетов, посланных вызовом send. Упрощенно говоря, каждый вызов recv за один раз получает столько байтов, сколько их было послано функцией send. При этом подразумевается, что функции recv предоставлен буфер достаточных размеров, в противном случае ее придется вызвать несколько раз. Однако, при всех последующих обращениях данные будут браться из локального буфера, а не приниматься из сети, т.к. TCP-провайдер не может получить "кусочек" дейтаграммы, а только ее всю целиком.

Работой обоих функций можно управлять с помощью флагов, передаваемых в одной переменной типа int третьим слева аргументом. Эта переменная может принимать одно из двух значений: MSG_PEEK и MSG_OOB.

Флаг MSG_PEEK заставляет функцию recv просматривать данные вместо их чтения. Просмотр в отличие от чтения не уничтожает просматриваемые данные. Некоторые источники утверждают, что при взведенном флаге MSG_PEEK функция recv не задерживает управления, если в локальном буфере нет данных, доступных для немедленного получения. Это неверно. Аналогично, иногда приходится встречать ошибочное утверждение о том, что якобы функция send со взведенным флагом MSG_PEEK возвращает количество уже переданных байт (вызов send не блокирует управления). На самом деле функция send игнорирует этот флаг.

Флаг MSG_OOB предназначен для передачи и приема срочных (Out Of Band) данных. Срочные данные не имеют преимущества перед другими при пересылке по сети, а всего лишь позволяют оторвать клиента от нормальной обработки потока обычных данных и сообщить ему "срочную" информацию. Если данные передавались функцией send с установленным флагом MSG_OOB, для их чтения флаг MSG_OOB функции recv также должен быть установлен.

Замечание: настоятельно рекомендуется воздержаться от использования срочных данных в своих приложениях. Во-первых, они совершенно необязательны - гораздо проще, надежнее и элегантнее вместо них создать отдельное TCP-соединение. Во-вторых, по поводу их реализации нет единого мнения и интерпретации различных производителей очень сильно отличаются друг от друга. Так, разработчики до сих пор не пришли к окончательному соглашению по поводу того, куда должен указывать указатель срочности: на последний байт срочных данных или на байт, следующий за последним байтом срочных данных. В результате отправитель никогда не имеет уверенности, что получатель сможет правильно интерпретировать его запрос.

Еще существует флаг MSG_DONTROUTE, предписывающий передавать данные без маршрутизации, но он не поддерживаться Winsock и поэтому здесь не рассматривается.

Дейтаграммный сокет также может пользоваться функциями send и recv, если предварительно вызовет connect (см. "Клиент: шаг третий"), но у него есть и свои, "персональные", функции:

int sendto (SOCKET s, const char FAR * buf, int len, int flags, const struct sockaddr FAR * to, int tolen)

и

int recvfrom (SOCKET s, char FAR* buf, int len, int flags, struct sockaddr FAR* from, int FAR* fromlen).

Они очень похожи на send и recv - разница лишь в том, что sendto и recvfrom требуют явного указания адреса узла, принимаемого или передаваемого данные. Вызов recvfrom не требует предварительного задания адреса передающего узла - функция принимает все пакеты, приходящие на заданный UDP-порт со всех IP-адресов и портов. Напротив, отвечать отправителю следует на тот же самый порт откуда пришло сообщение. Поскольку функция recvfrom заносит IP-адрес и номер порта клиента после получения от него сообщения, программисту фактически ничего не нужно делать - только передать sendto тот же самый указатель на структуру sockaddr, который был ранее передан функции recvfrem, получившей сообщение от клиента.

Еще одна деталь - транспортный протокол UDP, на который опираются дейтаграммные сокеты, не гарантирует успешной доставки сообщений и эта задача ложиться на плечи самого разработчика. Решить ее можно, например, посылкой клиентом подтверждения об успешности получения данных. Правда, клиент тоже не может быть уверен, что подтверждение дойдет до сервера, а не потеряется где-нибудь в дороге. Подтверждать же получение подтверждения - бессмысленно, т.к. это рекурсивно неразрешимо. Лучше вообще не использовать дейтаграммные сокеты на ненадежных каналах.

Во всем остальном обе пары функций полностью идентичны и работают с теми самыми флагами - MSG_PEEK и MSG_OOB.

Все четыре функции при возникновении ошибки возвращают значение SOCKET_ERROR (== -1).

Примечание: в UNIX с сокетами можно обращаться точно также, как и с обычными файлами, в частности писать и читать в них функциями write и read. ОС Windows 3.1 не поддерживала такой возможности, поэтому при переносе приложений их UNIX в Windows все вызовы write и read должны были быть заменены на send и recv соответственно. В Windows 95 с установленным Winsock 2.x это упущение исправлено, теперь дескрипторы сокетов можно передавать функциям ReadFil, WriteFile, DuplicateHandle и др.

Шаг последний - для закрытия соединения и уничтожения сокета предназначена функция int closesocket (SOCKET s), которая в случае удачного завершения операции возвращает нулевое значение.

Перед выходом из программы необходимо вызвать функцию

int WSACleanup (void) для деинициализации библиотеки WINSOCK и освобождения используемых этим приложением ресурсов.