16. 网络编程详解

1.前言

前面几个章节我们大致过了一遍MFC的内容，相信现在的你已经有能力开发一些简单的软件！

但现在的软件，很少有不需要网络的，别的不说，至少也会有一个软件检测升级的功能。

而这就是本章要介绍的网络编程！

不过在学习网路编程之前，我们需要有一个总体观念：

网络通信是对于整个电脑而言，而不单单是我们写的这个程序，我们所写的程序实际上是在调用我们电脑网络通信的能力。

2.网络编程基础

首先还是来考虑一个问题，我们为什么需要网络？

这个问题应该是很简单的，因为我们需要和他人交换信息，通信。

虽然目前大部分电脑的操作系统本身，都是支持多用户使用同一台电脑，但实际上，现在个人电脑应该是占主导地位的，即自己独占一台电脑。

也就是说，如果我想要和朋友通信，或者从别人的网站上下载资料，就只需要让我的电脑和它的电脑通信即可，即两台电脑互相通信。

但问题来了，通信肯定需要介质来传输信息，就算是我们说话，那也需要用空气传递声波别人才能听到！

而电脑之间的传输介质就很多了，比如无线Wifi，网线、光纤等等。

虽然介质很多，但对于我们而言，可以直接抽象一下，即两个电脑之间可以直接看作是有一根线将它们连接了起来。

因为我们不需要关心各个电脑之间是用什么传输的，我们只需要知道它们能够传输信息。

graph LR
A[电脑]--- B[电脑]

但这只是最简化的想法，因为现实中不可能给每个电脑或手机都拉一根线。

因为当前世界的电子产品数量大的惊人，所以很多时候，很多电脑都是共用一根线来节约成本的。

graph LR
A[电脑1]--- C[公共线路]
C---B[电脑2]
A1[电脑3]---C
C---B1[电脑4]

但这时候就出现问题了，即一个电脑发送的消息，如何判断它能够准确的发送到目的计算机上呢？

因为此时大家都共用一根线传输数据，你得区分各个电脑才知道数据应该发给谁。

所以这时候就有了地址，每个连上了网的电脑都会被分配一个地址，即我们常说的IP地址：

graph LR
A[电脑1 : 192.168.0.1]--- C[公共线路]
C---B[电脑2: 192.168.0.2]
A1[电脑3: 192.168.0.3]---C
C---B1[电脑4: 192.168.0.4]

当然，上面这些地址都是我随意写的，理解一下即可。

此时一个电脑想要发送信息，就只需要在信息前面添加一个IP地址，然后将这个信息发送到共有线路上。

如果接收方看到这个信息的接收地址是自己，那就接收，不是自己的话，要么转发，要么直接丢弃。

比如上图中，如果电脑1想要给电脑4发送一条消息，那么就会在这条信息前面添加上目的地的IP地址，即192.168.0.4。

但这条信息会发送到这条线路上的每一个电脑，当电脑2，电脑3看到这条信息目的地IP不是自己，就丢弃了，而电脑4看到这个IP地址就是自己的地址，才会接收这个信息。

上面这种通过给每个电脑都分配IP的方法，是最开始的设想，它被称为IPv4。

但后来，谁也没想到世界的电子设备迅速增长，IP地址不够用了！

因为IPv4是用的32位二进制表示的地址，即可以表示 2³² 个地址，虽然实际上要比这个数小，但也大约可以有43亿个设备。

可现在世界上的人口都有七八十亿了，这肯定是不够的！

所以后来就出现了Ipv6地址，用64位来表示，据说其数量之大，就算给地球上每粒沙子都分配一个ip地址也是绰绰有余的。

但由于Ipv4的基础设施已经搭建好了，想要迅速过渡到Ipv6，就意味着需要大量更换基础设施，这样成本太高了。

所以为了正常过渡到Ipv6，同时不影响现在使用，就出现了局域网！仅仅使用Ipv4就能基本满足现在的需求。

专业点来说叫做NAT机制，除此之外还有动态分配机制等等技术来解决这一问题。

如果你现在电脑连的Wifi上网，那么就已经身处局域网之内了。

局域网的概念就是，不用每一个电脑都连上公网，只需要一个设备连接上公网，比如路由器，而其它设备连接路由器即可：

graph LR
A[设备1 : 公网ip1]--- C[公网ip线路]
C---B[设备2 : 公网ip2]
A1[设备3: 公网ip3]---C
C---B1[设备4: 公网ip4]
D[设备5 : 局域网ip1] --- A
D1[设备6 : 局域网ip2] --- A

这样，就能够极大缓解IP资源不够的情况，并且上面也仅仅只是公网IP下的一层，但其实还可以继续递推嵌套下去，我们很可能现在就处于局域网中的局域网。

比如我们常见的IP地址：192.168.0.1，前面由192.168开头的就是一个局域网IP，虽然在同一个局域网下这个IP地址不能重复，但在不同局域网下，这个IP地址是可以重复的。

比如我当前电脑就连接的Wifi，这就是在局域网下，给我分配的IP地址为192.168.3.8：

同时也能看到，上面还有一个IPv6地址，因为它是64位，如果用十进制表示就太长了，所以它用的十六进制表示。

局域网ip地址有三种：

10.0.0.0 - 10.255.255.255 
172.16.0.0 - 172.31.255.255 
192.168.0.0 -192.168.255.255 

如果你的电脑IP在这个范围里面，那就说明你现在处于局域网下。

这也就导致了，如果你的朋友也在另外一个局域网下，你两是无法直接通过对方IP地址通信的！

但为啥我们用QQ、微信也能通信呢？

这是因为腾讯在公网IP上架设的服务器，你发送给朋友的信息，实际上是先发送给腾讯，腾讯再帮你转发给你的朋友。

我们为什么能上网看到网页呢？这是因为网站的服务器都是放在了公网IP上，所以你可以访问。

比如本站点，就是我在腾讯云租的云服务器，在租了之后，该云服务器就会被分配一个公网ip，然后我在这个公网ip上搭建服务器，你才能访问到本页面。

总结来说就是：

1. 处在同一局域网中可以互相访问。
2. 不同局域网之间不能直接互相访问。
3. 任何网络都可以访问公网IP。
4. 公网IP想要访问局域网IP，就必须局域网IP先访问自己，才能回访。

3.网络协议

很多新手一听到协议两个字，就会觉得协议很高级的样子，很抽象，无法理解。

但其实熟悉了之后你会发现，所谓协议不过是官方定制的标准而已，也就是规矩！

比如，上面我们已经讲了两台电脑之间传输数据需要对方的ip地址，那么ip地址放在哪里呢？

放在数据的最前面，中间，或是最后面？似乎都行啊！

所以为了避免出现混乱，就出现了规矩，即协议，规定IP地址只能写在数据的最前面。

你要是放在其它地方，其它电脑就不认识，因为根据协议，它们只看数据的最前面，不是自己的IP就丢弃。

对于我们程序开发人员而言，网络协议一般只需要知道两种即可，即我们常能看到的TCP协议、UDP协议。

直接介绍协议的概念，可能你会有点抽象，所以这里我们还是用两个计算机的通信举例子。

3.1 TCP

首先是TCP协议，即想要建立TCP连接的规矩，当A计算机想要和B计算机通信时：

1. 根据协议，A必须先给B发送一个请求连接的消息。
2. B接收到了A的请求连接，就给A发送一个应答消息。
3. A接收到了B的应答消息，就再给B回复一个应答消息，便于B确定A收到了自己的回复。

也就是说，在TCP连接的阶段，就需要发送三次信息，第一次和第三次都是请求方发送的，第二次是等待连接方发送的。

上述过程也被称为三次握手，只有完成了三次握手，通信双方才可以自由的发送信息。

当发送消息完成了之后，想要断开连接时，比如A想要断开双方的连接：

1. A向B发送断开连接请求。
2. B收到了之后，向A发送确认自己收到的请求。
3. B再向A发送断开请求。
4. A向B发送确认自己收到的请求。

可以看到，断开连接阶段，需要发送4次信息，即一次为主动发出断开请求，一次为被动发出确认自己收到的请求。

这也被称为4次挥手。

通过以上的过程，我们看得出来，TCP协议重在严谨！

因为它每次给对方发送了信息之后，都要等待对方回应它收没收到信息。

虽然这里仅仅只是介绍了它的连接、断开阶段，但实际上在正常发送消息时，它同样会进行一系列操作来确认自己收发的消息准确无误。

所以我们对TCP就有了以下结论：

1. 面向连接：只有双方建立起来连接，才能互相发送数据。
2. 单播传输：即每次只能两个计算机之间进行传输数据。
3. 可靠传输：因为TCP发送数据之后，都要等待对方回应自己收到的信息，所以很可靠（如果数据半路丢失，没有收到对方的回应，数据就会重新传输）

至于如何编程，我们后面马上就会提到，这里先过一遍概念。

3.2 UDP

看到上方的TCP协议，你可能会觉得很麻烦，而且消耗资源。

因为每次发送数据都要等待对方的回应，这数据传输的速度肯定就慢了呀！

所以就有了UDP协议，该协议很简单，不用连接，只要你知道对方电脑的IP地址就能直接给对方发送信息！

不过前提是对方在公网上，或者与自己在同一个局域网内。

也正是因为UDP这种不需要连接的特性，它发送数据的速度非常快，而且还可以同时向多个目标发送数据！

4.TCP实现聊天

上面讲了这么多理论的东西，可能看完都没什么概念，所以下面我们直接开始从0写一个小的聊天程序。

这次就不在以前的解决方案中建立项目了，因为那个解决方案的项目太多了，看着麻烦。

新建一个解决方案，为了更加直观的理解，我们采用控制台项目，首先建立Tcp服务器项目：TcpChatServer

然后自行新建一个源文件main.cpp就可以了！

4.1 Tcp服务器

这里还是有必要说明一下为什么要写Tcp服务器。

两个电脑想要进行通信，就必须得有一台电脑等待另一台电脑来连，而等待别人连接的我们称它为服务器，主动去连接的我们称它为客户端。

不同平台的网络编程并不完全相同，这是因为C/C++标准至今没有推出通用的网络标准库，不过想来再过几年可能就有了。

同时由于我们这里使用的是windows平台，所以开发的服务器和客户端也只能在windows平台使用。

首先，在windows平台上想要进行网络编程，就得引入对应的网络库文件与头文件：

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

既然是控制台程序，最基本的输入输出库还是得有，不然不好观察现象：

#include<iostream>
using namespace std;

然后就是初始化网络环境：

int main() {
	WSADATA wsadata;
	int sta = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata);
	if (sta != 0) {
		cout << "初始化网络环境失败！";
		return 0;
	}
	
}

这里调用的WSAStartup函数，其作用就是初始化网络环境，这是必须调用的，且在一个程序中只需要调用一次。

第一个参数为网络库的版本号，通过宏MAKEWORD生成，现在一般都是2.2版本，不用改，然后第二个参数就是初始化的数据，一般来说我们都用不着。

返回值如果不为0，就说明初始化失败了

初始化网络环境后，我们需要创建套接字：

SOCKET sockSev = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

所谓套接字，就相当于门牌号，而电脑就相当于一个公寓小区。

因为我们一台电脑里面可以有很多软件，每一个软件都需要通信的话，电脑如何区分呢？

答案就是通过套接字，我们可以通过套接字绑定电脑的网络资源，然后就可以使用电脑的网络资源与其它电脑进行通信。

这里创建套接字的参数有三个：

• 第一个参数：套接字的地址族，通俗点说就是用ipv4：AF_INET、还是ipv6：AF_INET6

当然了，地址族其实不止这两个，知道怎么看吗？右键它速览定义，就能看到它附近有哪些地址族，但没必要管，就目前而言，一般我们都还是用的ipv4进行编程，即第一个参数一般都固定为AF_INET

• 第二个参数：这个参数用于选择使用协议类型，一般我们需要的也就是TCP与UDP协议，所以这个参数其实也是二选一，TCP：SOCK_STREAM ，UDP：SOCK_DGRAM，更多协议类型查看方法同上。

• 第三个参数：为子协议类型，但这个我们一般都用不着，填0即可。

然后该函数创建成功后，就会返回一个套接字，但这个套接字现在还没有绑定我们电脑的网络资源！

而且一般来说，我们可能还需要对返回值加上一个判断：

	if (sockSev == INVALID_SOCKET) {
		return -1;
	}

宏INVALID_SOCKET意思就是无效socket，其真实值就是一个-1而已。

然后来到下一步绑定电脑网络资源，调用函数：bind

	SOCKADDR_IN addrSev;
	addrSev.sin_family = AF_INET;
	addrSev.sin_port = htons(5000);
	addrSev.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
	int ret=bind(sockSev, (sockaddr*)&addrSev, sizeof(addrSev));
	if (ret == -1) {
		cout << "绑定失败！";
		return -1;
	}

• 第一个参数很简单，就是前面生成的套接字
• 第二参数有点复杂，也就是我们需要绑定的电脑网络资源。
• 第三个参数很简单，就是第二个参数的大小
• 返回值如果为-1，则说明绑定失败，这一般是因为该端口号已经被其它程序绑定了，试着换一个端口号试一试，不为-1则成功。

下面详解一下第二个参数的使用。

它是一个结构体参数SOCKADDR_IN ，这个结构体是ipv4的结构体，如果你选用了ipv6，这个参数是不同的，因为不同协议需要绑定的信息各不相同。

也正因为各个协议需要的参数不同，所以bind函数为了通用化，就将第二个参数改为sockaddr*类型，无论你是什么协议的参数，只需要强制转换为它为该类型即可，然后第三个参数告诉它，这个参数有多大。

对于ipv4的这个参数而言，其中有三个参数，第一个是sin_family ，即地址族，要和前面的socket套接字一致，即ipv4的AF_INET。

然后是端口号sin_port ，这就是电脑的网络资源，一台电脑最多只有65535个。

紧接着是sin_addr.S_un.S_addr，这个是要绑定的当前电脑ip地址。

这里详细聊一下端口号的问题，因为电脑硬件用的都是16位二进制表示端口，2¹⁶ 等于65536，即我们能使用的端口号范围就是0-65535。

但小于1024的端口号一般都有默认的功能，比如我们上网浏览网页，其网站默认就是使用的80端口或443端口。

举个例子，你可以通过下面这个网址连接百度的服务器电脑：

https://www.baidu.com/

但其实这就是省略了端口号，选用的默认端口，上面实际上应该为：

https://www.baidu.com/:443

如果你将443改为其它端口就连接不上了。

因此我们一般选用较大的端口号，比如几千，一两万的都是可以的，太大也不好，因为它是系统自动分配的端口号。

比如还是连接百度的服务器为例，我们只是指定了要连接对方的哪个端口号，却并没有指定自己用哪个端口去连接，咋也能连上去？这其实就是系统帮我们自动分配的端口号。

回到本文，在代码中使用端口号时，还存在一个问题，那就是数据的编码序列，比如我当前使用的Intel系列CPU，它采用的小端序，网络端口数据必须用大端序，那就必须进行转换。

而这就是下面这个htons函数的作用：

addrSev.sin_port = htons(5000);

那什么是大端口，什么是小端口呢？拿一个十六进制数0x12345678来说：

大端序，就是将高位放在低地址，而小端序，却是将高位放在高地址

由于我们看数据都是习惯从低位向高位看，所以对于小端序中的数据：78 56 34 12 就必须倒一下变为 12 34 56 78才是真实数据。

实在不理解也不重要，代码中，我们只需要记住需要通过函数htons（home to network short：主机到网络转换，short类型）函数来完成这一转换步骤：

htons(5000)

之后就是地址了，因为我们现在就是服务器，所以就需要让我们的电脑监听某个地址等待连接，127.0.0.1这个地址比较特殊，这是本机回环地址，只能用于本机的应用之间进行通信：

addrSev.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");

可以将电脑理解为一栋大楼，ip就是大楼在地球上的地址，而端口就是这栋大楼中具体的每家每户门牌号，即各种应用程序，而127.0.0.1这个地址为本楼各个用户之间交换数据的内部地址，外部其他楼是看不到的。

对于ip地址，由于纯数字不便于人记忆，所以有了127.0.0.1这种字符串的写法。

但编程中，它需要的是ip地址纯数字的形式，所以就需要用inet_addr函数进行转换一下，将我们的字符串ip，转换为ip地址数字形式。

同时这里我们可以看到，它使用了一长串的东西表示地址：

sin_addr.S_un.S_addr

这其实等价于第一个：

sin_addr

但如果你只写第一个，肯定会报错，因为它不能够直接接收ip地址的数据，它的数据结构定义为：

typedef struct in_addr {
        union {
                struct { UCHAR s_b1,s_b2,s_b3,s_b4; } S_un_b;
                struct { USHORT s_w1,s_w2; } S_un_w;
                ULONG S_addr;
        } S_un;
#define s_addr  S_un.S_addr /* can be used for most tcp & ip code */
#define s_host  S_un.S_un_b.s_b2    // host on imp
#define s_net   S_un.S_un_b.s_b1    // network
#define s_imp   S_un.S_un_w.s_w2    // imp
#define s_impno S_un.S_un_b.s_b4    // imp #
#define s_lh    S_un.S_un_b.s_b3    // logical host
} IN_ADDR, *PIN_ADDR, FAR *LPIN_ADDR;

怎么看就不说了，就一步一步速览定义即可。

首先你肯定先注意到了这里面有很多宏，这就是为了简便书写的，比如上面的就可以用宏写成：