C語(yǔ)言實(shí)的串行通信接口程序

摘要該文介紹了sockets通信原理,從程序員角度著重討論了windowssockets為支持異步通信對(duì)sockets的功能擴(kuò)充,并給出了應(yīng)用windowssockets實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信的一個(gè)程序?qū)嵗?。關(guān)

ibm公司于1994年4月推出的tcp/ipfordos所提供的開(kāi)發(fā)軟件包programmer‘stoolkit不僅帶有dos下網(wǎng)絡(luò)編程接口,而且提供了windows下網(wǎng)絡(luò)異步通信接口winsock。

一、socket網(wǎng)絡(luò)編程原理socket是bsdunix提供的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口,它采用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器的通信機(jī)制,使網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)機(jī)方和服務(wù)器方通過(guò)socket實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的連接和數(shù)據(jù)交換。socket提供了一系列的系統(tǒng)調(diào)用,使用這些系統(tǒng)調(diào)用可以實(shí)現(xiàn)tcp、udp、icmp和ip等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的通信。

socket有三種主要類(lèi)型:streamsockets,datagramsockets和rawsockets。streamsocket接口定義了一種可靠的面向連接的服務(wù),它實(shí)現(xiàn)了無(wú)差錯(cuò)無(wú)重復(fù)的順序數(shù)據(jù)傳輸。它通過(guò)內(nèi)置的流量控制解決了數(shù)據(jù)的擁塞,應(yīng)用程序可以發(fā)送任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)當(dāng)作字節(jié)流。datagramsocket接口定義了一種無(wú)連接的服務(wù),數(shù)據(jù)通過(guò)相互獨(dú)立的包進(jìn)行傳輸,包的傳輸是無(wú)序的,并且不保證是否出錯(cuò)、丟失和重復(fù)。包長(zhǎng)度是有限的(隱含長(zhǎng)度為8192字節(jié),最大長(zhǎng)度可設(shè)為32768字節(jié))。rawsocket接口允許對(duì)低層協(xié)議如ip和icmp的直接存取,它主要用于新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的測(cè)試等。

下面我們通過(guò)一個(gè)面向連接的傳輸發(fā)生的典型情況來(lái)說(shuō)明socket網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)。

由圖我們可以看出,客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器的關(guān)系不是對(duì)稱(chēng)的。服務(wù)器首先啟動(dòng),然后在某一時(shí)間啟動(dòng)客戶(hù)機(jī)與服務(wù)器建立連接。服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)開(kāi)始都必須用調(diào)用socket()建立一個(gè)套接字(socket),然后服務(wù)器調(diào)用bind()將套接字與一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)地址捆扎在一起,再用調(diào)用listen()使套接字處于一種被動(dòng)的準(zhǔn)備接收狀態(tài),同時(shí)規(guī)定它的請(qǐng)求隊(duì)列長(zhǎng)度,之后服務(wù)器就可以調(diào)用accept()來(lái)接收連接了。客戶(hù)機(jī)在建立套接字之后,便可以通過(guò)調(diào)用connect()和服務(wù)器建立連接。連接建立后,客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器之間就可以通過(guò)連接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)(調(diào)用read()和write())。最后,待數(shù)據(jù)傳送結(jié)束,雙方調(diào)用close()關(guān)閉套接字。

@@;面向連接的協(xié)議實(shí)現(xiàn)的socket調(diào)用圖@@

二、winsock對(duì)socket的擴(kuò)充

bsdsocket支持阻塞(blocking)和非阻塞(non-blocking)兩種工作方式。在阻塞方式下,connect()、accept()、read()和recv()等調(diào)用在執(zhí)行時(shí)都處于阻塞狀態(tài)直到它成功或出錯(cuò)返回。在非阻塞方式下,這些調(diào)用是立即返回的,但是它們是否完成得靠查詢(xún)才能知道。對(duì)于windows這種非搶先多任務(wù)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這兩種工作方式都是難以接受的,為此,winsock在盡量與bsdsocket保持一致的前提下,又對(duì)它作了必要的擴(kuò)充。

winsock對(duì)bsdsocket的擴(kuò)充主要是在基于消息、對(duì)網(wǎng)絡(luò)事件的異步存取接口上。表1列出了winsock擴(kuò)充的函數(shù)功能。

從表1可以看出,winsock的擴(kuò)充功能可以分為如下幾類(lèi)。

(1)異步選擇機(jī)制

異步選擇函數(shù)wsaasyncselect()允許應(yīng)用程序提名一個(gè)或多個(gè)感興趣的網(wǎng)絡(luò)事件,所有非阻塞的網(wǎng)絡(luò)i/o例程(如send()和resv()),不管它是已經(jīng)使用還是即將使用,都可作為wsaasyncselect()函數(shù)選擇的候選。當(dāng)被提名的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí),windows應(yīng)用程序的窗口函數(shù)將收到一個(gè)消息,消息附帶的參數(shù)指示被提名過(guò)的某一網(wǎng)絡(luò)事件。

@@;表1winsock擴(kuò)充函數(shù)功能@@

(2)異步請(qǐng)求例程

異步請(qǐng)求例程允許應(yīng)用程序用異步方式獲取請(qǐng)求的信息,如wsaasyncgetxbyy()類(lèi)函數(shù)允許用戶(hù)請(qǐng)求異步服務(wù),這些功能在使用標(biāo)準(zhǔn)berkeley函數(shù)時(shí)是阻塞的。函數(shù)wsacancelasyncrequest()允許用戶(hù)終止一個(gè)正在執(zhí)行的異步請(qǐng)求。

(3)阻塞處理方法

winsock在調(diào)用處于阻塞時(shí)進(jìn)入一個(gè)叫“hook”的例程,它負(fù)責(zé)處理windows消息,使得windows的消息循環(huán)能夠繼續(xù)。winsock還提供了兩個(gè)函數(shù)(wsasetblockinghook()和wsaunhookblockinghook())讓用戶(hù)能夠設(shè)置和取消自己的阻塞處理例程。另外,函數(shù)wsaisblocking()可以檢測(cè)調(diào)用是否阻塞,函數(shù)wsacancelblockingcall()可以取消一個(gè)阻塞的調(diào)用。

(4)出錯(cuò)處理

為了和以后的多線索環(huán)境(如windowsnt)兼容,winsock提供了兩個(gè)出錯(cuò)處理函數(shù)wsagetlasterror()和wsasetlasterror()來(lái)獲取和設(shè)置本線索的最近錯(cuò)誤號(hào)。

(5)啟動(dòng)與終止

winsock的應(yīng)用程序在使用上述winsock函數(shù)前,必須先調(diào)用wsastartup()函數(shù)對(duì)windowssocketsdll進(jìn)行初始化,以協(xié)商winsock的版本支持,并分配必要的資源。在應(yīng)用程序退出之前,應(yīng)該先調(diào)用函數(shù)wsacleanup()終止對(duì)windowssocketsdll的使用,并釋放資源,以利下一次使用。

在這些函數(shù)中,實(shí)現(xiàn)windows網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信的關(guān)鍵是異步選擇函數(shù)wsaasyncselect()的使用,其原型如下:intpascalfarwsaasyncselect(sockets,hwndhwnd,unsignedintwmsg,longlevent);它請(qǐng)求windowssocketsdll在檢測(cè)到在套接字s上發(fā)生的levent事件時(shí),向窗口hwnd發(fā)送一個(gè)消息wmsg。它自動(dòng)地設(shè)置套接字s處于非阻塞工作方式。參數(shù)levent由表2所列事件的一個(gè)或多個(gè)組成。

@@;表2異步選擇網(wǎng)絡(luò)事件@@

例如,我們要在套接字s讀準(zhǔn)備好或?qū)憸?zhǔn)備好時(shí)接到通知,可以使用下面的語(yǔ)句:

rc=wsaasyncselect(s,hwnd,wmsg,fd-read|fd-write);

當(dāng)套接字s上被提名的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí),窗口hwnd將收到消息wmsg,變量lparam的低字指示網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的事件,高字指示錯(cuò)誤碼。應(yīng)用程序就可以通過(guò)這些信息來(lái)決定自己的下一步動(dòng)作。

三、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信的實(shí)現(xiàn)

我們來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的基于連接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信程序。服務(wù)器首先啟動(dòng),它建立套接字之后等待客戶(hù)機(jī)的連接;客戶(hù)機(jī)在啟動(dòng)后,建立套接字,然后和服務(wù)器建立連接;連接建立后,客戶(hù)機(jī)通過(guò)連接給服務(wù)器發(fā)送一段數(shù)據(jù),服務(wù)器接收后又將它發(fā)送回來(lái),客戶(hù)機(jī)再發(fā)送,如此循環(huán),直至用戶(hù)命令客戶(hù)機(jī)退出或網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò);客戶(hù)機(jī)關(guān)閉連接和套接字后退出,服務(wù)器在檢測(cè)到連接關(guān)閉后,關(guān)閉套接字自動(dòng)結(jié)束。

我們的實(shí)例是unix下基于bsdsocket的服務(wù)器程序和windows下基于winsock的客戶(hù)機(jī)程序之間的通信。服務(wù)器在主機(jī)unix下直接運(yùn)行,前臺(tái)和后臺(tái)均可;客戶(hù)機(jī)在windows下運(yùn)行,帶一個(gè)參數(shù),即主機(jī)的名字。如winclientrs6000,rs6000是在hosts文件中已定義好的主機(jī)名。

我們先看客戶(hù)機(jī)程序,首先定義幾個(gè)宏、菜單資源和部分全局變量。

程序1:部分windows程序源代碼(宏、菜單和變量)

#defineuserport3333/*用戶(hù)定義端口號(hào)*/

#defineidm-start101/*“啟動(dòng)”菜單項(xiàng)標(biāo)志*/

#defineidm-exit102/*“退出”菜單項(xiàng)標(biāo)志*/

#defineum-sockwm-user+0x100/*用戶(hù)定義網(wǎng)絡(luò)消息*/

clientmenumenu/*客戶(hù)機(jī)菜單*/

begin

popup"&server"

begin

menuitem"&start...",idm-start

menuitem"&stop",idm-stop

end

end

#include/*必須包含頭文件*/

handlehinst;

charserver-address={0};/*服務(wù)器地址緩沖區(qū)*/

charbuffer;/*接收發(fā)送緩沖區(qū)*/

charfar*lpbuffer=&buffer;

sockets=0;/*套接字*/

structsockaddr-indst-addr;/*目標(biāo)地址*/

structhostent*hostaddr;/*主機(jī)地址*/

structhostenthostnm;

intcount=0;/*發(fā)送接收循環(huán)計(jì)數(shù)器*/

客戶(hù)機(jī)程序的窗口主函數(shù)很簡(jiǎn)單,它在注冊(cè)窗口類(lèi)、建立窗口后,只是給主窗口函數(shù)發(fā)送一個(gè)用戶(hù)消息,然后就進(jìn)入windows消息處理循環(huán)。

程序2:部分windows程序源代碼(窗口主函數(shù))

intpascalwinmain(handlehinstance,handlehprevinstance,lpstrlp

cmdl

ine,intncmdshow)

{

hwndhwnd;

msgmsg;

lstrcpy((lpstr)server-address,lpcmdline);/*取主機(jī)名字*/

if(!hprevinstance)

if(!initapplication(hinstance))

return(false);

hinst=hinstance;

hwnd=createwindow("clientclass","windowsechoclient",

ws-overlappedwindow,cw-usedefault,cw-usedefault,

cw-usedefault,cw-usedefault,

null,null,hinstance,null);

if(!hwnd)

return(false);

showwindow(hwnd,ncmdshow);

updatewindow(hwnd);

/*給主窗口函數(shù)發(fā)送wm-user消息*/

postmessage(hwnd,wm-user,(wparam)0,(lparam)0);

while(getmessage(&msg,null,null,null)){

translatemessage(&msg);

dispatchmessage(&msg);

}

return();

}

主窗口函數(shù)clientproc是程序的主要部分,它處理相關(guān)的消息:在接到消息wm-user后,它調(diào)用函數(shù)wsastartup()初始化windowssocketsdll,并檢查其版本號(hào),然后通過(guò)主機(jī)名獲取主機(jī)地址;在接到消息wm-command時(shí),如果是命令idm-start,則調(diào)用子程序client()建立套接字,并試圖和服務(wù)器建立連接,如果是命令idm-stop,則調(diào)用函數(shù)wsacleanup()終止windowssocketsdll,并發(fā)出終止應(yīng)用程序的消息;在接到消息um-sock時(shí),它根據(jù)參數(shù)lparam指示的網(wǎng)絡(luò)事件,進(jìn)行相應(yīng)的操作,然后選擇下一個(gè)期望的網(wǎng)絡(luò)事件。

程序3:部分windows程序源代碼(主窗口函數(shù))

longfarpascal

clientproc(hwndhwnd,unsignedmessage,uintwparam,longlparam)

{

intlength,i;

wsadatawsadata;/*描述windowssockets實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/

intstatus;

switch(message){

casewm-user:

status=wsastartup(0x101,&wsadata);

if(status!=0){

alertuser(hwnd,"wsastartup()failed");

postquitmessage(0);

}

if(lobyte()!=1||hibyte()!=1)

{/*現(xiàn)在支持的版本是*/

alertuser(hwnd,"wsastartup()versionnotmatch");

wsacleanup();

postquitmessage(0);

}

hostaddr=gethostbyname(server-address);

if(hostaddr==null){

alertuser(hwnd,"gethostbynameerror");

wsacleanup();

postquitmessage(0);

}

memcpy(&hostnm,hostaddr,sizeof(structhostent));

break;

casewm-command:

switch(wparam){

caseidm-start:

if(!client(hwnd)){

closesocket(s);

alertuser(hwnd,"startfailed");

}

break;

caseidm-stop:

wsacleanup();

postquitmessage(0);

break;

}

break;

caseum-sock:

switch(lparam){

casefd-connect:/*網(wǎng)絡(luò)事件:連接建立*/

if(!set-select(hwnd,fd-write))/*選擇:期望發(fā)送*/

closesocket(s);

break;

casefd-read:/*網(wǎng)絡(luò)事件:讀準(zhǔn)備好*/

if(!receive-pkt(hwnd)){/*接收數(shù)據(jù)*/

alertuser(hwnd,"receivepacketfailed");

closesocket(s);

break;

}

if(!set-select(hwnd,fd-write))/*選擇:期望發(fā)送*/

closesocket(s);

break;

casefd-write:/*網(wǎng)絡(luò)事件:寫(xiě)準(zhǔn)備好*/

for(i=0;i1024;i++)

buffer=(char)‘a(chǎn)‘+i%26;

length=1024;

if(!(send-pkt(hwnd,length))){/*發(fā)送數(shù)據(jù)*/

alertuser(hwnd,"packetsendfailed");

closesocket(s);

break;

}

if(!set-select(hwnd,fd-read))/*選擇:期望接收*/

closesocket(s);

break;

casefd-close:/*網(wǎng)絡(luò)事件:連接關(guān)閉。操作:停止異步選擇*/

if(wsaasyncselect(s,hwnd,0,0)==socket-error)

alertuser(hwnd,"wsaasyncselectfailed");

alertuser(hwnd,"sockethasbeenclosed");

break;

default:/*網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)則警告,其他事件忽略*/

if(wsagetselecterror(1param)!=0){

alertuser(hwnd,"socketreportfailure");

closesocket(s);

break;

}

break;

}

break;

casewm-destroy:

closesocket(s);/*前應(yīng)該關(guān)閉套接字,并*/

wsacleanup();/*終止windowssocketsdll*/

postquitmessage(0);

break;

default:

return(defwindowproc(hwnd,message,

wparam,lparam));

}

return(null);

}

程序4:部分windows程序源代碼(子程序)

boolclient(hwndhwnd)/*客戶(hù)機(jī)子程序*/

{

if(!make-skt(hwnd))/*建立套接字*/

return(false);

if(!set-select(hwnd,fd-connect))/*設(shè)置異步連接*/

return(false);

if(!connect-skt(hwnd))/*建立連接*/

return(false);

return(true);

}

boolreceive-pkt(hwndhwnd)/*接收數(shù)據(jù)子程序*/

{

hdcdc;

intlength;

int11,12,13;

charlinel,line2,line3;

count++;/*循環(huán)計(jì)數(shù)器加1*/

if((length=recv(s,lpbuffer,1024,0))==socket-error)

return(false);/*如果接收數(shù)據(jù)出錯(cuò),則返回false*/

if(length==0)/*接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為零,表示連接中斷*/

return(false);

if(dc=getdc(hwnd)){/*接收數(shù)據(jù)成功,顯示信息*/

11=wsprintf((lpstr)line1,"tcpechoclientno.%d",count);

12=wsprintf((lpstr)line2,"received%dbytes",length);

13=wsprintf((lpstr)line3,"thoseare:%c,%c,%c,%c,%c,%c",

buffer,buffer,buffer,buffer,buffer,buffer

);

textout(dc,10,2,(lpstr)linel,11);

textout(dc,10,22,(lpstr)line2,12);

textout(dc,10,42,(lpstr)line3,13);

releasedc(hwnd,dc);

}

return(true);

}

boolset-select(hwndhwnd,longlevent)/*異步選擇子程序*/

{

if(wsaasyncselect(s,hwnd,um-sock,levent)==socket-error){

alertuser(hwnd,"wsaasyncselectfailed");

return(false);

}

return(true);

}

boolmake-skt(hwndhwnd)/*建立套接字子程序*/

{

if((s=socket(af-inet,sock-type,0))==invalid-socket){

alertuser(hwnd,"socketfailed");

return(false);

}

return(true);

}

boolconnect-skt(hwndhwnd)/*建立連接子程序*/

{

memset((void*)&dst-addr,sizeof(dst-addr),0);

=af-inet;

=htons(userport);

=*((unsignedlong*));

if(connect(s,(structsockaddr*)&dst-addr,

sizeof(dst-addr))==socket-error){

alertuser(hwnd,"connectfailed");

return(false);

}

return(true);

}

boolsend-pkt(hwndhwnd,intlen)/*發(fā)送數(shù)據(jù)子程序*/

{

intlength;

if((length=send(s,lpbuffer,len,0))==socket-error)

return(false);

elseif(length!=len){

alertuser(hwnd,"sendlengthnotmatch!");

return(false);

}

return(true);

}

我們用最簡(jiǎn)單的語(yǔ)句編制一個(gè)unix下基于bsdsocket的服務(wù)器程序,它在建立連接后,只負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)發(fā)回去,在連接斷開(kāi)后,服務(wù)器關(guān)閉套接字返回。要編制在windows下的服務(wù)器程序,可參照客戶(hù)機(jī)程序,使用winsock的異步選擇機(jī)制。

程序5:unix下服務(wù)器程序源代碼

/*tcp/ip必要的頭文件*/

#includesys/

#includenetinet/

#includesys/

#includearpa/

#defineuserport3333/*用戶(hù)定義端口號(hào),與客戶(hù)機(jī)相同*/

#definehost-ip-addr""/*我們的主機(jī)地址*/

main(intargc,char**argv)

{

charbuf;/*bufferforsendingandreceivingdata*/

structsockaddr-inclient;/*clientaddressinformation*/

structsockaddr-inserver;/*serveraddressinformation*/

ints;/*socketforacceptingconnections*/

intns;/*socketconnectedtoclient*/

intnamelen;/*lengthofclientname*/

intpktlen;/*lengthofpacketreceivedorsended*/

if((s=socket(af-inet,sock-stream,0))0){

perror("socket()");

return;

}

/*bindthesockettotheserveraddress.*/

bzero((char*)&server,sizeof(server));

=sizeof(structsockaddr-in);

=af-inet;

=htons(userport);

=inaddr-any;

if(bind(s,(structsockaddr*)&server,sizeof(server))0){

perror("bind()");

return;

}

/*listenforconnections.specifythebacklogas1.*/

if(listen(s,1)!=0){

perror("listen()");

return;

}

/*acceptaconnection.*/

namele