Winsock

✍ dations ◷ 2024-12-22 21:47:32 #Windows API

Windows Sockets API (WSA), 简短记为Winsock, 是Windows的TCP/IP网络编程接口（API）。兼容于Berkeley socketsAPI在函数名字。实际上，Winsock的实现库(winsock.dll)使用的是长名字。

Winsock是一种能使Windows程序通过任意网络传输协议发送数据的API。Winsock中有几个只支持TCP/IP协议的函数（例如gethostbyaddr()），但是在Winsock 2中新增了所有这些函数的通用版本，以允许开发者使用其它的传输协议。

MS-DOS与早期版本的Microsoft Windows使用的网络协议是NetBIOS. 因此，各方提供了各自的MS-DOS上的TCP/IP实现。由于各种解决方案的API函数名并不统一，使得软件开发者难以下决心转到TCP/IP协议上。

1991年10月，以Martin Hall, Mark Towfiq, Geoff Arnold, Henry Sanders为首在CompuServe BBS上讨论形成了Windows Sockets API规范(specification)并且版权属于这五人。

Windows 95 OSR2以后版本的Windows操作系统均支持Windows Sockets version 2.2。此外，Windows 95 with the Windows Socket 2 Update也支持WinSock 2.2。

Windows 95、Windows NT 3.51及更早版本的Windows操作系统，最高支持Windows Sockets version 1.1。

WinSock编程时，可选择下述编程模型之一：

Windows Sockets API规范包含两种接口：

Windows Sockets的代码与设计是基于Berkeley sockets，此外还提供了额外的功能使得API遵从Windows编程模式（如重叠I/O）. API函数名字都以前缀WSA开始, 例如WSASend().

为了便于从Unix向Windows移植网络程序的源代码，Winsock提供了很多便利. 例如，Unix应用程序能使用<span class="ilh-all " data-orig-title="errno码" data-lang-code="en" data-lang-name="英语" data-foreign-title="Error code">]（英语：Error code）记录网络错误与C运行时错误。Windows Sockets引入了专门的函数WSAGetLastError()以获取错误信息. 但很多TCP/IP应用程序使用了Unix的特性, 如伪终端（英语：pseudo terminal）与fork系统调用（英语：Fork (operating system)）。这使得源代码移植非常困难。

当Microsoft TCP栈接收到一个数据包时，会启动一个200毫秒的计时器。当ACK确认数据包发出之后，计时器会复位。接收到下一个数据包时，会再次启动200毫秒的计时器。这称为TCP确认延迟机制(TCP Delayed acknowledge)，作用是接收到数据后延迟ACK的发送，使得TCP协议栈有机会合并多个ACK以提高性能。Microsoft TCP栈使用了下面的策略来决定在接收到数据包后什么时候发送ACK确认数据包：

为了避免小数据包拥塞网络，Microsoft TCP栈默认启用了纳格算法，这个算法能够将应用程序多次调用Send发送的小尺寸的数据拼接起来，一块封包发送。Nagle算法规定的特殊情况：

为了在应用层优化性能，Winsock把应用程序调用Send发送的数据从应用程序的缓冲区复制到Winsock内核缓冲区。Microsoft TCP栈利用类似Nagle算法的方法，决定什么时候才实际地把数据投递到网络。内核缓冲区的默认大小是8K，使用SO_SNDBUF选项，可以改变Winsock内核缓冲区的大小。如果有必要的话，Winsock能缓冲大于SO_SNDBUF缓冲区大小的数据。在绝大多数情况下，应用程序完成Send调用仅仅表明数据被复制到了Winsock内核缓冲区，并不能说明数据就实际地被投递到了网络上。例外情况：通过设置SO_SNDBUT为0禁用了Winsock内核缓冲区。

Winsock使用下面的规则来向应用程序表明一个Send调用的完成：

Winsock1.1 API，需要声明#include <winsock.h>并链接wsock32.lib，使用wsock32.dll。

Winsock2 API，需要声明#include <winsock2.h>，链接ws2_32.lib，在Winsock2_32.dll中实现。其下是两种服务提供者接口（Service Provider Interface）：

可通过ws2spi.h中的两对API函数来安装/卸载服务提供者接口：WSCInstallProvider、WSCDeinstallProvider、WSCInstallNameSpace、WSCUnInstallNameSpace。

SPOrder.dll中提供了重排序服务提供者：WSCWriteNameSpaceOrder、WSCWriteProviderOrder。

大部分Winsock2 API函数被映射到SPI函数，由当前安装的服务提供者实现其功能。一条简单规则是根据提供者链顺序从WSA*函数名映射为WSP*函数名（Winsock Service Provider, 用于传输服务提供者函数）。下述函数不在SPI中实现：

WSP前缀（Winsock Service Provider）的函数是传输服务提供者函数。例如WSPStartup函数用于初始化分层服务提供者。

WPU前缀（Winsock Provider Upcall）的函数是被服务提供者调用的ws2_32.dll中的函数，

WSC前缀(WinSock Configuration)的函数名是LSP安装程序调用的ws2_32.dll中的函数，如：WSCInstallProvider， WSCWriteProviderOrder。

NSP前缀（NameSpace Provider）的函数名用于命名空间提供者。

service provider interface (SPI)是各种功能的具体实施者。允许插入第三方厂商写的 service providers 而无需改变Winsock 2 的API与DLL（ws2_32.dll）；从而应用程序开发人员写的基于Winsock的代码也无需改变。

Winsock 2 SPI 有两种类型的 service providers —— transport 和 namespace。Transport providers（通常称之为协议栈）提供建立连接、传输数据、进行流控制和差错控制等功能。Namespace providers 提供网络协议的寻址属性、协议无关的名字解析。

SPI transport service providers细分为两类 —— base service providers 和 layered service providers。Base service providers 实现了传输协议的实际细节：建立连接、传送数据、流控制和差错控制。Layered service providers 仅实现了高层的自定义的通讯功能，而且依赖于已有的下层的 base provider 来与远程端进行实际的数据交换。也就是说，LSP是做什么的，就是做一些附件的高端的可选的功能。如在 base TCP/IP 栈的顶端实现一个带宽管理器。而base service providers提供必需的基础的功能。

Winsock 2不允许 namespace providers 的LSP。虽然可以使用 Winsock 2 SPI 来实现一个新的 namespace provider，但是不能改变或扩展已有 namespace provider 的命名、注册和查询行为。

layered transport service provider一般由高层应用开发；而 base transport providers 和 namespace providers 一般由操作系统厂商和协议栈厂商开发。

编写 service provider的就是标准的DLL，其导出函数只有运输服务的WSPStartup 或名字服务的 NSPStartup。WSPStartup 和 NSPStartup通过输出参数lpProcTable作为LSP的dispatch table，提供了约30个可用的函数的地址，这些函数原型在WS2spi.h中声明。WSPStartup的另外一个参数UpcallTable为LSP提供了ws2_32.dll中的15个函数的地址表，这些函数原型也在WS2spi.h中声明。如果ws2_32.dll提供了额外的函数，就需要在WSPStartup通过GetProcAddress获取函数地址，目前仅有一个例子WPUCompleteOverlappedResult。

LSP可以形成一个链，通过调用下层LSP的WSPStartup函数，下层LSP由上层LSP装入。最上层的LSP被ws2_32.dll装入。WSPStartup函数参数lpProtocolInfo指向一个WSAPROTOCOL_INFOW结构组成的链表。链表最底层是base provider。 WSPStartup与WSPCleanup使用引用计数来加载/清除。

遵从Winsock规范的TCP/IP与UDP/IP协议栈有：3Com, Beame & Whiteside, DEC, Distinct, FTP Software, Frontier, IBM, Microdyne, NetManage（英语：NetManage）, Novell, Sun Microsystems, Trumpet Software International.

/*** Winsock 2 API Protocol Enumerator -*/#ifndef WIN32_LEAN_AND_MEAN#define WIN32_LEAN_AND_MEAN#endif#define WINSOCK_API_LINKAGE#include <winsock2.h>#include <ws2spi.h>#include <wtypes.h>#include <assert.h>#include <winnt.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#pragma comment(lib,"Ws2_32.lib")char *ExpandServiceFlags(DWORD serviceFlags){	/* A little utility function to make sense of all those bit flags */	/* The following code leaks. Yeah, I know.. Go find Buffer 0v3rfl0w$ :-) */	char *serviceFlagsText = (char *)malloc(2048);	memset(serviceFlagsText, '\0', 2048);	char *strip_comma;	/* Hey - it's only for printing and demo purposes.. */	if (serviceFlags & XP1_CONNECTIONLESS)	{		strcat(serviceFlagsText, "Connectionless, ");	}	if (serviceFlags & XP1_GUARANTEED_ORDER)	{		strcat(serviceFlagsText, "Guaranteed Order, ");	}	if (serviceFlags & XP1_GUARANTEED_DELIVERY)	{		strcat(serviceFlagsText, "Message Oriented, ");	}	if (serviceFlags & XP1_CONNECT_DATA)	{		strcat(serviceFlagsText, "Connect Data, ");	}	if (serviceFlags & XP1_DISCONNECT_DATA)	{		strcat(serviceFlagsText, "Disconnect Data, ");	}	if (serviceFlags & XP1_SUPPORT_BROADCAST)	{		strcat(serviceFlagsText, "Broadcast Supported, ");	}	if (serviceFlags & XP1_EXPEDITED_DATA)	{		strcat(serviceFlagsText, "Urgent Data, ");	}	if (serviceFlags & XP1_QOS_SUPPORTED)	{		strcat(serviceFlagsText, "QoS supported, ");	}	/*	* While we're quick and dirty, let's get as dirty as possible..	*/	strip_comma = strrchr(serviceFlagsText, ',');	if (strip_comma)		*strip_comma = '\0';	return (serviceFlagsText);}void PrintProtocolInfo(LPWSAPROTOCOL_INFOW prot){	wprintf(L"Protocol Name: %s\n", prot->szProtocol); /* #%^@$! UNICODE...*/	printf("\tServiceFlags1:  %d (%s)\n",		prot->dwServiceFlags1,		ExpandServiceFlags(prot->dwServiceFlags1));	printf("\tProvider Flags: %d\n", prot->dwProviderFlags);	printf("\tNetwork Byte Order: %s\n",		(prot->iNetworkByteOrder == BIGENDIAN) ? "Big Endian" : "Little Endian");	printf("\tVersion: %d\n", prot->iVersion);	printf("\tAddress Family: %d\n", prot->iAddressFamily);	printf("\tSocket Type: ");	switch (prot->iSocketType)	{	case SOCK_STREAM:		printf("STREAM\n");		break;	case SOCK_DGRAM:		printf("DGRAM\n");		break;	case SOCK_RAW:		printf("RAW\n");		break;	default:		printf(" Some other type\n");	}	printf("\tProtocol: ");	switch (prot->iProtocol)	{	case IPPROTO_TCP:		printf("TCP/IP\n");		break;	case IPPROTO_UDP:		printf("UDP/IP\n");		break;	default:		printf("some other protocol\n");	}}int _cdecl main(int argc, char** argv){	LPWSAPROTOCOL_INFOW  bufProtocolInfo = NULL;	DWORD                dwSize = 0;	INT                  dwError;	INT                  iNumProt;	/*	* Enum Protocols - First, obtain size required	*/	printf("Sample program to enumerate Protocols\n");	WSCEnumProtocols(NULL,                     // lpiProtocols		bufProtocolInfo,          // lpProtocolBuffer		&dwSize,                 // lpdwBufferLength		&dwError);               // lpErrno	bufProtocolInfo = (LPWSAPROTOCOL_INFOW)malloc(dwSize);	if (!bufProtocolInfo) {		fprintf(stderr, "SHOOT! Can't MALLOC!!\n");		exit(1);	}	/* Now, Enum */	iNumProt = WSCEnumProtocols(		NULL,                    // lpiProtocols		bufProtocolInfo,         // lpProtocolBuffer		&dwSize,                 // lpdwBufferLength		&dwError);	if (SOCKET_ERROR == iNumProt)	{		fprintf(stderr, "Darn! Can't Enum!!\n");		exit(1);	}	printf("%d Protocols detected:\n", iNumProt);	for (int i = 0;	i < iNumProt;		i++)	{		PrintProtocolInfo(&bufProtocolInfo);		printf("-------\n");	}	printf("Done");	return(0);}

阻塞式程序

    int nPort =65000;//指定通信端口    WSADATA wsaData;    WSAStartup( MAKEWORD( 2, 2 ), &wsaData );     // 创建监听套接字，绑定本地端口，开始监听     SOCKET sListen = socket( AF_INET,SOCK_STREAM, 0 );    SOCKADDR_IN addr;     addr.sin_family = AF_INET;     addr.sin_port = htons( nPort );     addr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;     bind( sListen, (sockaddr *)&addr, sizeof( addr ) );     listen( sListen, 5 );    SOCKADDR_IN saRemote;     int nRemoteLen = sizeof( saRemote );     SOCKET sRemote = accept( sListen, (sockaddr *)&saRemote, &nRemoteLen );

优雅关闭

TCP连接的关闭过程有两种：

    shutdown(clntSock, SD_SEND);  //数据发送完毕，断开输出流，向客户端发送FIN包      recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);  //阻塞，等待客户端接收完毕后closesocket，这将导致本方的recv从阻塞状态返回        fclose(fp);  //释放资源    closesocket(clntSock);       closesocket(servSock);  //也要关闭用于listen/accept的socket    WSACleanup();

调用 close()/closesocket() 函数意味着完全断开连接，即不能发送数据也不能接收数据，这种“生硬”的方式有时候会显得不太“优雅”。使用 shutdown() 函数和WSASendDisconnect函数可以优雅关闭连接，其函数原型为

int shutdown(SOCKET s, int howto);  //Windows

howto 在 Windows 下有以下取值：

确切地说，close() / closesocket() 用来关闭套接字，将套接字描述符（或句柄）从内存清除，之后再也不能使用该套接字。应用程序关闭套接字后，与该套接字相关的连接和缓存也失去了意义，TCP协议会自动触发关闭连接的操作。shutdown() 用来关闭连接，而不是套接字；套接字依然存在，直到调用 close() / closesocket() 将套接字从内存清除。调用 close()/closesocket() 关闭套接字时，或调用 shutdown() 关闭输出流时，都会向对方发送 FIN 包。FIN 包表示数据传输完毕，对端收到 FIN 包就知道不会再有数据传送过来了。默认情况下，close()/closesocket() 会立即向网络中发送FIN包，不管输出缓冲区中是否还有数据，而shutdown() 会等输出缓冲区中的数据传输完毕再发送FIN包。也就意味着，调用 close()/closesocket() 将丢失输出缓冲区中的数据，而调用 shutdown() 不会。

shutdown()并不实际关闭socket，而是仅仅改变其可用性。shutdown是一种优雅地单方向或者双方向关闭socket的方法。如果有多个进程共享一个socket，shutdown影响所有进程，而close只影响本进程。shutdown本身并不影响底层，也即此前发出的异步send/recv不会返回。在所有已发送的包被对端确认后，本方会发送FIN包给client，开始TCP四次挥手过程。对端收到FIN报文后，并不知道server端以何种方式shutdown，甚至不知道server端是shutdown还是close。

若本方发送FIN报文后没有收到对端的FIN-ACK，会两次重传FIN报文，若一直收不到对端的FIN-ACK，则会给对端发送RST信号，关闭socket并释放资源。对端收到FIN信号后，再调用read函数会返回0；因为接收了FIN，表明以后再无数据可以接收。

对端收到RST报文后，行为如下：

收到RST报文的情况下，再做任何read write都是毫无意义。

调用调用close()，根据参数设置不同，会出现如下两种情况：

当l_onoff值设置为0时，closesocket会立即返回，并关闭用户socket句柄。如果此时缓冲区中有未发送数据，则系统会在后台将这些数据发送完毕后关闭TCP连接，是一个优雅关闭过程，但是这里有一个副作用就是socket的底层资源会被保留直到TCP连接关闭，这个时间用户应用程序是无法控制的。

当l_onoff值设置为非0值，而l_linger也设置为0，那么closesocket也会立即返回并关闭用户socket句柄，但是如果此时缓冲区中有未发送数据，TCP会发送RST包重置连接，所有未发数据都将丢失，这是一个强制关闭过程。

当l_onoff值设置为非0值，而l_linger也设置为非0值时，同时如果socket是阻塞式的，此时如果缓冲区中有未发送数据，如果TCP在l_linger表明的时间内将所有数据发出，则发完后关闭TCP连接，这时是优雅关闭过程；如果如果TCP在l_linger表明的时间内没有将所有数据发出，则会丢弃所有未发数据然后TCP发送RST包重置连接，此时就是一个强制关闭过程了。

另外还有一个socket选项SO_DONTLINGER，它的参数值是一个bool类型的，如果设置为true，则等价于SO_LINGER中将l_onoff设置为0。

注意SO_LINGER和SO_DONTLINGER选项只影响closesocket的行为，而与shutdown函数无关，shutdown总是会立即返回的。