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Unix和Windows跨系统通讯编程

发布时间:2019-09-13 19:27:32

摘 要 本文介绍了套接字(Socket)的基本概念及编程技术,并结合实例说明在Unix和Windows下如何用套接字实现客户/服务器方式的通讯编程。

关键词 Berkeley Sockets Windows Sockets 通讯编程

一、 前言

随着Internet的不断发展,客户机/服务器模型得到了广泛的应用。客户应用程序向服务器程序请求服务。一个服务程序通常在一个众所周知的端口监听对服务的请求,也就是说,服务进程一直处于休眠状态,直到一个客户对这个服务的地址提出了连接请求。在这个时刻,服务程序被“惊醒”并且为客户提供服务或对客户的请求作出适当的反应。   Unix最早是由美国贝尔实验室发明的一种多用户、多任务的通用操作系统,由于 Unix具有技术成熟、可靠性高、网络和数据库功能强、伸缩性突出和开发性好的特色,可满足各行各业的实际需要,特别是企业重要业务的需要,已经成为主要的工作平台和重要的企业操作平台,而微软公司的 Windows操作系统用户界面友好,安装、使用也比较方便,应用软件丰富,在个人PC机上成为主流操作系统。因此服务端使用 Unix,客户端使用 Windows能充分利用它们各自的优点,这也是今后发展的一个趋势。

同时,金融行业的中间业务发展迅速,银行主机采用 Unix系统,而各代收代付单位多采用 Windows或 WindowsNT系统,在它们之间传输数据文件也涉及跨系统通讯的问题,通过套接字 Socket能方便地实现 Unix和 Windows的跨系统通讯,本文拟就这一问题作一探讨。

二、 SOCKET简介

TCP/IP是计算机互连最常使用的网络通讯协议, TCP/IP的核心部分由网络操作系统的内核实现,应用程序通过编程接口来访问 TCP/IP,见下图:

图1 应用程序与Windows Socket关系图

七十年代中,美国国防部高研署(DARPA)将TCP/IP的软件提供给加利福尼亚大学Berkeley分校后,TCP/IP很快被集成到Unix中,同时出现了许多成熟的TCP/IP应用程序接口(API)。这个API称为Socket接口。今天,SOCKET接口是TCP/IP网络最为通用的API,也是在INTERNET上进行应用开发最为通用的API。

九十年代初,由Microsoft联合了其他几家公司共同制定了一套WINDOWS下的网络编程接口,即Windows Sockets规范。它是Berkeley Sockets的重要扩充,主要是增加了一些异步函数,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规范是一套开放的、支持多种协议的 Windows下的网络编程接口。目前,在实际应用中的Windows Sockets规范主要有1.1版和2.0版。两者的最重要区别是1.1版只支持TCP/IP协议,而2.0版可以支持多协议,2.0版有良好的向后兼容性,目前,Windows下的Internet软件都是基于 WinSock开发的。

Socket实际在计算机中提供了一个通信端口,可以通过这个端口与任何一个具有Socket接口的计算机通信。应用程序在网络上传输,接收的信息都通过这个Socket接口来实现。在应用开发中就像使用文件句柄一样,可以对 Socket句柄进行读、写操作。我们将 Socket翻译为套接字,套接字分为以下三种类型:

字节流套接字(Stream Socket) 是最常用的套接字类型,TCP/IP协议族中的 TCP 协议使用此类接口。字节流套接口提供面向连接的(建立虚电路)、无差错的、发送先后顺序一致的、无记录边界和非重复的网络信包传输。

数据报套接字 (Datagram Socket) TCP/IP协议族中的UDP协议使用此类接口,它是无连接的服务,它以独立的信包进行网络传输,信包最大长度为32KB,传输不保证顺序性、可靠性和无重复性,它通常用于单个报文传输或可靠性不重要的场合。数据报套接口的一个重要特点是它保留了记录边界。对于这一特点。数据报套接口采用了与现在许多包交换网络(例如以太网)非常类似的模型。

原始数据报套接字(Raw Socket) 提供对网络下层通讯协议(如IP协议)的直接访问,它一般不是提供给普通用户的,主要用于开发新的协议或用于提取协议较隐蔽的功能。

三、 基于SOCKET的应用开发

图2 面向连接协议的SOCKET编程模型

面向连接协议的SOCKET编程模型应用最为广泛,因为面向连接协议提供了一系列的数据纠错功能,可以保证在网络上传输的数据及时、无误地到达对方。基于连接协议(字节流套接字)的服务是设计客户机/服务器应用程序时的标准,其编程模型如下:

尽管Windows Sockets和Berkeley Sockets都是TCP/IP应用程序的编程接口,但二者由于分属不同的系统,在某些环节仍有一些差别。Windows Sockets API没有严格地坚持Berkeley传统风格,通常这么做是因为在Windows环境中实现的难度。

1.套接口数据类型和错误数值

Windows Sockets规范中定义了一个新的数据类型 SOCKET,这一类型的定义对于将来Windows Sockets规范的升级是必要的。这一类型的定义保证了应用程序向Win32 环境的可移植性。因为这一类型会自动地从16位升级到32位。

在 UNIX中,所有句柄包括套接口句柄,都是非负的短整数。 Windows Sockets 句柄则没有这一限制,除了INVALID_SOCKET 不是一个有效的套接口外,套接口可以取从0到 INVALID_SOCKET-1 之间的任意值。因为 SOCKET 类型是unsigned ,所以编译已经存在于UNIX 环境中的应用程序的源代码可能会导致 signed/unsigned 数据类型不匹配的警告。

因此,在socket() 例程和accept() 例程返回时,检查是否有错误发生就不应该再使用把返回值和-1比较的方法,或判断返回值是否为负(这两种方法在BSD 中都是很普通,很合法的途径)。取而代之的是,一个应用程序应该使用常量INVALID_SOCKET ,该常量已在WINSOCK.H 中定义。

例如:

BDS 风格

m_hSocket=socket(…);

if(m_hSocket=-1)   /*or m_hSocket<0*/

{…}

Windows风格:

m_hSocket=socket(…);

if(m_hSocket=INVALID_SOCKET)

{…}

2.select() 函数和FD_*宏

由于一个套接口不再表示为非负的整数,select() 函数在Windows Sockets API中的实现有一些变化:每一组套接口仍然用 fd_set 类型来代表,但是它并不是一个位掩码。

typedef struct fd_set{

u_int fd_count;

SOCKET fd_array;

} fd_set;

整个组的套接口是用了一个套接口的数组来实现的。为了避免潜在的危险,应用程序应该坚持用FD_XXX 宏(FD_SET,FD_ZERO,FD_CLR,FD_ISSET)来设置,初始化,清除和检查fd_set 结构。

3.错误代码-errno,h_errno,WSAGetLastError()

Windows Sockets 实现所设置的错误代码是无法通过 errno 变量得到的。另外对于 getXbyY() 这一类的函数,错误代码无法从h _errno 变量得到,错误代码可以使用 WSAGetLastError()调用得到,这种改进是为了适应多线程程序设计的需要。WSAGetLastError()允许程序员能够得到对应于每一线程的最近的错误代码。

为了保持与 BSD 的兼容性,应用程序可以加入以下一行代码:

#define errno WSAGetLastError()

这就保证了用全程的 errno 变量所写的网络程序代码在单线程环境中可以正确使用。当然,这样做有许多明显的缺点:如果一个源程序对套接口和非套接口函数都用 errno 变量来检查错误,那么这种机制将无法工作。此外,一个应用程序不可能为 errno 赋一个新的值 (在Windows Sockets 中,WSAGetLastError()函数可以做到这一点)。

例如:

BSD风格:

retcode=recv(…);

if(retcode=-1 && errno=EWOULDBLOCK)

{…}

Windows风格:

retcode=recv(…);

if(retcode=-1 && WSAGetLastError ()=EWOULDBLOCK)

{…}

虽然为了兼容性原因,错误常量与4.3BSD 所提供的一致:应用程序应该尽可能地使用“WSA”系列错误代码定义。且常量 SOCKET_ERROR是被用来检查API 调用失败的。虽然对这一常量的使用并不是强制性的,但这是推荐的。例如,上面程序更准确应该是:

retcode=recv(…)

if(retcode=SOCKET_ERROR&&WSAGetLastError()=

WSAEWOULDBLOCK)

{…}

4.重命名的函数

有两种原因Berkeley 套接口中的函数必须重命名,以避免与其他的 API 冲突:

① close() 和closesocket()

在Berkeley套接口中,套接口出现的形式与标准文件描述字相同,所以 close() 函数可以用来象关闭文件一样关闭套接口。在Windows Sockets API中,套接字和正常文件句柄不是等同的,例如read(),write() 和close() 在应用于套接口后不能保证正确工作。套接口必须使用 closesocket()例程来关闭,用close() 例程来关闭套接口是不正确的。

② ioctl()和iooctlsocket()

Windows Sockets定义ioctlsocket() 例程,用于实现 BSD中ioctl() 和fcntl() 的功能。

5.阻塞例程和 EINPROGRESS 宏

虽然Windows Sockets 支持关于套接口的阻塞操作,但是这种应用是被强烈反对的,如果程序员被迫使用阻塞模式(例如一个准备移植的已有的程序,BSD 包含了大量的阻塞函数,且其默认的工作方式都是阻塞的),那么他应该清楚地知道Windows Sockets中阻塞操作的语义。

6.指针

所有应用程序与Windows Sockets 使用的指针都必须是FAR 指针,为了方便应用程序开发者作用,Windows Sockets规范定义了数据类型LPHOSTENT 。

7. Windows Sockets支持的最大套接口数目

一个Windows Sockets 应用程序可以使用的套接口的最大数目是在编译时由常量 FD_SETSIZE 决定的。这个常量在 select() 函数中被用来组建fd_set 结构。在WINSOCK.H 中缺省值是64。如果一个应用程序希望能够使用超过64个套接口,则编程人员必须在每一个源文件包含 WINSOCK.H 前定义确切的FD_SETSIZE值。有一种方法可以完成这项工作,就是在工程项目文件中的编译器选项上加入这一定义。 FD_SETSIZE定义的值对Windows Sockets实现所支持的套接口的数目并无任何影响。

8.头文件

为了方便基于 Berkeley 套接口的已有的源代码的移植, Windows Sockets支持许多 Berkeley头文件。这些 Berkeley头文件被包含在WINSOCK.H中。所以一个 Windows Sockets应用程序只需简单的包含 WINSOCK.H就足够了(这也是一种被推荐使用的方法)。

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