1. 客戶-服務(wù)器通信中的基本問題
客戶和服務(wù)器通信是為了使用服務(wù)，為此在傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)上設(shè)計協(xié)議，通過對通信行為的規(guī)范，實現(xiàn)通信的目的，并解決傳輸中的問題。
傳輸機(jī)制通常由下層協(xié)議提供，根據(jù)不同的通信需要選擇不同的下層協(xié)議，這是一個基本的問題。對應(yīng)用協(xié)議來說，可用的傳輸機(jī)制有可靠連接的字節(jié)流類型和不可靠無連接的數(shù)據(jù)報類型。
服務(wù)器處理大量客戶的請求，從而并發(fā)是服務(wù)器的一個基本問題，如何處理這個問題也取決于通信需要。處理方式上，服務(wù)器可以是循環(huán)的或并發(fā)的，并發(fā)服務(wù)器有多種實現(xiàn)方式(異步I/O，多線程和多進(jìn)程)。
一件事情能無重復(fù)地連續(xù)進(jìn)行，通常會獲得更好的效率，這要求主體始終知道當(dāng)前的狀態(tài)。一次通信過程的連續(xù)性取決于通信雙方，它們都要知道通信進(jìn)行的狀態(tài)。這對客戶一般不成問題，但服務(wù)器要和大量客戶通信，不一定能為每個客戶的每次通信保存狀態(tài)。如果服務(wù)器是有狀態(tài)的，那么就更快地計算響應(yīng)，減少通信的數(shù)據(jù)量。但是傳輸和客戶的故障使有狀態(tài)服務(wù)器面臨很大問題，當(dāng)傳輸不可靠(報文重復(fù)，丟失，亂序)時，服務(wù)器維護(hù)的狀態(tài)會和客戶失去一致，一個不斷崩潰重啟的客戶會造成狀態(tài)信息不能發(fā)揮作用，而維護(hù)開銷卻極大增加。
這就提出了客戶-服務(wù)器通信中的三個基本問題，它們的解決方案都取決于實際需要，客戶-服務(wù)器通信中有哪些情況的需要呢？
- 是否要求可靠傳輸；
- 是否需要服務(wù)器進(jìn)行大量處理。對循環(huán)服務(wù)器進(jìn)行分析可以知道，需要大量處理的通信用循環(huán)方案可能會丟失請求，用并發(fā)方案還可以提高服務(wù)器資源利用率，改善性能，只要少量處理的通信則無法忍受開銷大的解決方案。
- 在局域網(wǎng)還是互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，局域網(wǎng)中傳輸很少出錯，互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境則不然；
通常根據(jù)前兩個基本問題把服務(wù)器實現(xiàn)分為四種類型，它們的適用范圍如下：
- 循環(huán)無連接服務(wù)器，少量處理的通信時，并且在局域網(wǎng)中或不要求可靠傳輸。這種做法主要是為了避免開銷。
- 循環(huán)連接服務(wù)器，較少用，主要是循環(huán)的方式不夠高效，因為連接有一定開銷，響應(yīng)時間可能不低。在少量處理并要求可靠性的情況下使用。
- 并發(fā)無連接服務(wù)器，很少用，因為要給每個請求開線程，開銷太大。在不要求可靠性的情況下，如果線程開銷遠(yuǎn)小于計算響應(yīng)開銷，或者并發(fā)可以讓各請求的I/O并行，或者循環(huán)方案會丟失請求時可以考慮。
- 并發(fā)連接服務(wù)器，常用。
2. winsock基本函數(shù)的使用
winsock的基本函數(shù)有WSAStartup()，WSACleanup()，socket()，closesocket()，bind()，listen()，accept()， connect()，send()和recv()。
使用這些函數(shù)，客戶端的大概算法是，
- 調(diào)用WSAStartup()初始化winsock庫。
- 調(diào)用socket()創(chuàng)建套接字，返回套接字描述符s。
- 指定遠(yuǎn)程套接字地址sa，對s調(diào)用connect()，向sa標(biāo)識的服務(wù)進(jìn)程請求連接。
- 連接成功后，對s調(diào)用send()發(fā)送請求，調(diào)用recv()接收響應(yīng)，如此反復(fù)直到完成任務(wù)。
- 對s調(diào)用closesocket()關(guān)閉連接。
- 不再發(fā)起連接處理新的任務(wù)時，調(diào)用WSACleanup()釋放winsock庫。
服務(wù)器端的大概算法是，
- 調(diào)用WSAStartup()初始化winsock庫。
- 調(diào)用socket()創(chuàng)建套接字，返回套接字描述符s。
- 對s調(diào)用bind()，將其綁定到本地的套接字sa。
- 調(diào)用listen()，將s置為被動模式。此時開始偵聽客戶端的連接請求，將其放入一個隊列。
- 對s調(diào)用accept()，即從請求隊列中取出一項，接受該連接后返回一個新的套接字描述符s'，以及對應(yīng)客戶端的套接字地址sa'。
- 對s'調(diào)用recv()接收請求，調(diào)用send()發(fā)送響應(yīng)，如此反復(fù)直到完成任務(wù)。
- 對s'調(diào)用closesocket()關(guān)閉該連接。
- 重復(fù)5到7的過程。
- 從8退出后，調(diào)用WSACleanup()釋放winsock庫。
有以下幾點需要進(jìn)一步說明，
1). 客戶端調(diào)用connect()和服務(wù)器端調(diào)用accept()成功后將在客戶進(jìn)程和服務(wù)器進(jìn)程之間建立一個TCP連接。連接兩端的每個套接字描述符都包含一個本地端點地址和一個遠(yuǎn)程端點地址。所以在使用連接套接字發(fā)送數(shù)據(jù)時不用指示目的地址。
2). 多宿主主機(jī)的IP地址選擇問題。從上面的算法容易提出這樣的問題，為什么客戶端在使用套接字時不綁定端點地址？通常的主機(jī)只有一個IP，但是多宿主主機(jī)有多個IP地址，在這種情況下，客戶端為套接字指定的IP可能與實際發(fā)送時經(jīng)過的IP不符，所以允許客戶端不指定套接字地址，而由TCP/IP軟件在實際發(fā)送時指定IP，同時選擇一個未用過的端口號，這正是在connect()調(diào)用中完成的。那么服務(wù)器端就不存在同樣的情況嗎？不是，在它調(diào)用bind()時指定一個套接字地址，其端口部分采用應(yīng)用協(xié)議的熟知端口，而IP地址部分有著同樣的問題。為此定義了一個代表統(tǒng)配地址的常量INADDR_ANY，用它指示IP地址部分。實際使用的IP仍然是由TCP/IP軟件分配。
3). TCP為一個連接的發(fā)送端和接收端各維護(hù)一個緩沖區(qū)。當(dāng)發(fā)送端緩沖區(qū)滿的時候，send()調(diào)用會阻塞，在接收端緩沖區(qū)為空的時候，recv()調(diào)用會阻塞。為什么要在通信進(jìn)程和TCP連接之間維護(hù)一個間接層呢？可能是為了在一端有多個進(jìn)程要使用信道的情況下，在多個進(jìn)程之間進(jìn)行信道分配的協(xié)調(diào)。比如在發(fā)送端，信道傳輸數(shù)據(jù)時send()調(diào)用可以繼續(xù)執(zhí)行，多個進(jìn)程的send()調(diào)用同緩沖區(qū)打交道，彼此影響不大，因為讀寫緩沖區(qū)速度很快，而信道同緩沖區(qū)打交道，這時可以對各進(jìn)程的發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)公平的信道分配。另外，在TCP中有滑動窗口概念，是用于流量控制的，前述緩沖區(qū)和滑動窗口有什么關(guān)系？我現(xiàn)在不太清楚。
4). 套接字的關(guān)閉問題。在客戶機(jī)和服務(wù)器通過TCP連接完成數(shù)據(jù)交換后，有一個安全關(guān)閉的問題。一方面，服務(wù)器不能關(guān)閉連接，因為客戶機(jī)可能還有請求，另一方面，客戶機(jī)雖然知道何時不再請求，但是它不知道服務(wù)器的響應(yīng)何時發(fā)送完，因為有些應(yīng)用協(xié)議的響應(yīng)數(shù)據(jù)量不確定。為此采用部分關(guān)閉的辦法，雖然連接是雙向的，但是允許在一個方向上關(guān)閉它，當(dāng)客戶端不再請求時，可以部分關(guān)閉連接，使服務(wù)器收到一個信號，如果響應(yīng)發(fā)送完了，服務(wù)器就可以關(guān)閉連接，此時連接被完全關(guān)閉
3. 套接字接口中的端點地址
端點地址用來表示通信的進(jìn)程，是傳輸層協(xié)議及其套接字接口中的重要概念。不同的協(xié)議族可以用不同方式表示端點地址，一個協(xié)議族還可以有多個地址族，每個地址族的地址格式不同。TCP/IP只有一個地址族，它的端點地址包括一個32位IP地址和一個16位端口號。在協(xié)議族和地址族的基礎(chǔ)上，套接字接口用更為具體的結(jié)構(gòu)來表示端點地址。
套接字是一種適用于多個協(xié)議族的接口，并允許一個協(xié)議族使用多個地址族。TCP/IP協(xié)議族及其唯一地址族的標(biāo)識分別是PF_INET和AF_INET。由于套接字接口的通用性，它提供一個通用的地址結(jié)構(gòu)，其格式為(地址族，該族中的套接字地址)。套接字作為一個接口標(biāo)準(zhǔn)，可以有不同實現(xiàn)，以下我們只討論windows套接字。
如下定義的sockaddr實現(xiàn)了前述通用地址結(jié)構(gòu)，
// winsock2.h
struct sockaddr {
u_short sa_family; /* address family */
char sa_data[14]; /* up to 14 bytes of direct address */
};
sockaddr的通用性是相對的，某些地址族不適合這個結(jié)構(gòu)。
盡管sockaddr適合于TCP/IP協(xié)議族，但是winsock還定義了TCP/IP專用的地址格式，
// winsock2.h
struct sockaddr_in {
short sin_family;
u_short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};
sin_family域取值恒為AF_INET。其中的in_addr結(jié)構(gòu)表示IP地址，定義如下，
//winsock2.h
struct in_addr {
union {
struct { u_char s_b1,s_b2,s_b3,s_b4; } S_un_b;
struct { u_short s_w1,s_w2; } S_un_w;
u_long 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 */
};
為了保證軟件的可移植性與可維護(hù)性，訪問TCP/IP的代碼不應(yīng)使用sockaddr。只使用TCP/IP的應(yīng)用程序可以只使用sockaddr_in，而永遠(yuǎn)不用sockaddr。
4. winsock程序?qū)嵗?/p>
《vc6技術(shù)內(nèi)幕》的例程ex34a包括一個web服務(wù)器和三個客戶，服務(wù)器用winsock實現(xiàn)，一個客戶用winsock，另兩個用wininet。我們以winsock實現(xiàn)的服務(wù)器和客戶為例。
CBlockingSocket對各接口函數(shù)進(jìn)行封裝，使它們的調(diào)用可以統(tǒng)一報錯。把錯誤檢查和函數(shù)調(diào)用一起封裝可以避免每次調(diào)用這些函數(shù)時都檢錯。為統(tǒng)一報錯，采用了異常機(jī)制，在檢出錯誤后拋出異常，然后統(tǒng)一進(jìn)行異常處理。異常機(jī)制使我們可以把錯誤檢查和錯誤處理分開，檢查必須是分散的，但是處理可以適當(dāng)集中，使代碼簡化。
CHttpBlockingSocket根據(jù)接收http報文的特點對CBlockingSocket進(jìn)行了擴(kuò)展。成員函數(shù)ReadHttpHeaderLine()可以從TCP連接中按行接收字符(它引入了一個緩沖區(qū)，緩沖區(qū)中收到的字符構(gòu)成一行后再輸出。該緩沖區(qū)的長度需要能夠容納每一行字符，溢出時報錯。接收輸出行的緩沖區(qū)也可能長度不足，這時接收的數(shù)據(jù)不足一行，在調(diào)用ReadHttpHeaderLine()時要注意這一點)，ReadHttpResponse()用于接收首部行之后所有的響應(yīng)，當(dāng)調(diào)用者提供的緩沖區(qū)不足時會報錯。緩沖區(qū)不足的情況都是在CBlockingSocket::Receive()函數(shù)中檢測到的，該函數(shù)調(diào)用以上層次中的代碼按照正常情況編寫。
CSockAddr是一個與sockaddr_in同樣用途的類，但是用法更方便。winsock函數(shù)使用的端點地址結(jié)構(gòu)是sockaddr，sockaddr_in本身用來代替它，所以CSockAddr需要能夠替代sockaddr。sockaddr可能用在傳值或傳址參數(shù)中，CSockAddr必須在邏輯上和存儲上都和sockaddr有等價性，并實現(xiàn)有關(guān)強制類型轉(zhuǎn)換。CSockAddr還實現(xiàn)了和sockaddr, sockaddr_in互相轉(zhuǎn)換的成員函數(shù)，因為一種結(jié)構(gòu)很難在所有情況下都好用，新結(jié)構(gòu)也需要和舊結(jié)構(gòu)保持兼容。
本例中采用服務(wù)器關(guān)閉套接字的辦法，因為每次連接只處理一個請求。
參考：
《用TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)際互聯(lián)第三卷(windows套接字版)》/清華出版社
《vc6技術(shù)內(nèi)幕 5th ed》/希望電子出版社