【C#】Socket编程

一、什么是Socket
Socket的英文原意是“孔”或“插座”。作为进程通信机制，取了后一种意思。通常也称作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄(其实就是两个程序通信用的)。

Socket类似于电话插座。以一个电话网为例：电话的通话双方相当于相互通信的2个程序，电话号码就是ip地址。任何用户在通话之前，首先要占有一部电话机，相当于申请了一个socket;同时要知道对方的号码，相当于对方有一个固定的Socket。然后对方拨号呼叫前，相当于发送了连接请求。对方假如在场并空闲，拿起电话话筒，双方就可以正式通话，相当于连接成功。双方通话的过程，是一方向电话机发出信号和对方从电话机接受信号的过程，相当于向Socket发送数据和从Socket接受数据。通话结束后，一方挂起电话机相当于关闭Socket,撤销连接。

套接字分类：
为了满足不同程度对通信质量和性能的要求，一般的网络系统提供了以下三种不同类型的套接字，一提供用户在设置程序时根据不同需要来选择：

流式套接字(SOCK_STREAM)：提供了一种可靠的、面向连接的双向数据传输服务。实现了数据无差错，无重复的发送，内设流量控制、被传输的数据被看做无记录边界和字节流。在TCP/IP协议簇中，使用了TCP实现字节流的传输，当用户要发送大批量数据，或对数据传输的可靠性有较高要求时使用流套接字。
数据报套接字(SOCK_DGRAM)：提供了一种无连接、不可靠的数据传输服务。数据以独立的包形式被发送，并且保留了记录边界，不提供可靠性保证。数据在传输过程中可能会丢失或者重复，并且不能保证在接收端数据按发送顺序接受。在TCP/IP协议簇中，使用UDP实现数据报套接字。
原始套接字(SOCK_RAW)：该套接字允许对较底层协议（如IP或者ICMP）进行直接访问。一般用于对TCP/IP核心协议的网络编程。

二、Socket相关概念：

1.端口:
2.1 TCP
在Internet上有很多这样的主机，这些主机一般运行了多个服务软件，同时提供多个服务。每种服务都打开一个Socket,并绑定到一个端口上，不同的端口对应不同的服务（应用程序），因此，在网络协议中使用端口号十倍主机上不同的进程。例如：Http使用的80端口，FTP使用的是21端口。
2.协议:
TCP是一种面向连接的、可靠的，基于字节流的传输层通信协议。为两台主机提高了可靠性的数据通信服务。它们可以将源主机的数据无差错地传输到目标主机。当有数据要发送时，对应用进程送来的数据进行分片，以合适于在网络层中传输；当接受到网络层传来的分组时，它要对收到分组进行确认，还要对丢失的分组设置超时重发等。为此TCP需要增加额外的许多开销，以便在数据传输过程中进行一些必要的控制，确保数据的可靠传输。因此，TCP传输效率比较低。
2.1.1 TCP的工作过程
TCP是面向连接的协议，TCP协议通过三个报文完成类似电话呼叫的连接建立过程，这个过程称为三次握手，如图所示

第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包(SEQ=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。
第二次握手：服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN(ACK=x+1),同时自己也要发送一个SYN(SNQ=Y)包,即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ACK=y+1),此包发送完毕，客户端和服务器进入Established状态，完成三次握手。
2.1.2传输数据
一旦通信双方建立了TCP连接，连接中的任何一方都能向对方发送数据和接受对方发来的数据。TCP协议负责把用户数据(字节流)按照一定的格式和长度组成多个数据报进行发送，并在接受到数据之后按照分解顺序重新组装和恢复用户数据。
利用TCP传输数据时，数据是以字节流的形式进行传输的。

2.1.3连接的终止：
建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭(half-close)造成的。具体过程如图所示：

2.1.4 TCP的主要特点:
TCP最主要的特点如下：
(1)是面向连接的协议。
(2)端到端的通信。每个TCP连接只有两个端点，而且只能一对一通信，不能一对多点直接通信。
(3)高可靠性。通过TCP连接传送的数据，能保证数据无差错、不丢失、不重复地准确到达接收方，并且保证数据到达的顺序与其发出的顺序相同。
(4)全双工方式传输。
(5)数据以字节流的方式传输。
(6)传输的数据无消息边界。

2.1.5同步与异步
同步工作方式是指利用TCP编写的程序执行到监听或接受语句时，在未完成工作（侦听到连接请求或收到对方发来的数据）前不再继续往下执行，线程处于阻塞状态，直到该语句完成相应的工作后才继续执行下一条语句。
异步工作方式是指程序执行到监听或接受语句时，不论工作是否完成，都会继续往下执行。

UDP

UDP是一种简单的、面向数据报的无连接的协议，提供的是不一定可靠的传输服务。所谓“无连接”是指在正式通信前不必与对方先建立连接，不管对方状态如何直接发送过去。这与发手机短信相似，只知道对方的手机号码就行了，不要考虑对方手机处于什么状态。UDP虽然不能保证数据传输的可靠性，但是数据传输的效率较高。
2.1.1 UDP和TCP的区别
(1) UDP可靠性不如TCP
TCP含有专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确认消息；发送方只有在接受到该确认消息后才能继续传送其他消息，否则将一直等待知道收到确认消息为止。与TCP不同，UDP并不提供数据传输的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失，协议本身并不能做出任何检测和提示。因此，通常人们把UDP称为不可靠的传输协议。
(2) UDP不能保证有序传输
UDP不能确保数据的发送和接受顺序。对于突发性的数据报，有可能会乱序。
2.1.2 UDP的优势：
(1) UDP速度比TCP快
由于UDP不需要先与对方建立连接，也不需要传输确认，因此其数据传输速度比TCP快得多。对于强调传输性能而不是传输完整性的应用（比如网络音频播放，视频点播和网络会议等），使用UDP比较合适，因为它传输速度快，使通过网络播放的视频音质好，画面清晰。
UDP有消息边界
发送方UDP应用程序交来下的报文，在添加首部后就向下直接交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界。使用UDP不需要考虑消息边界的问题，这样使得UDP编程相比于TCP,在接收到数据的处理方面要方便的多。在程序员看来，UDP套接字使用比TCP简单。UDP的这一特征也说明了它是一种面向报文的传输协议。
(3) UDP可以一对多传输
由于传输数据不建立连接，也就不需要维护连接状态（包括收发状态等），因此一台服务器可以同时向多个客户端传输相同的消息。利用UDP可以使用广播或组播的方式同时向子网上的所有客户进程发送消息，这一点也比TCP方便。
其中，速度快是UDP的首要优势。
由于TCP协议中植入了各种安全保障功能，在实际执行的过程中会占用大量的系统开销，无疑使得速度受到严重的影响。反观UDP，由于抛弃了信息可靠传输机制，将安全和排序等功能移交给上一层应用完成，极大地降低了执行时间，使速度得到了保证。简而言之，UDP“理念”就是“不顾一切，只为更快地发送数据”。

三、Socket一般三种应用模式：

四、Socket通信基本流程图：

根据socket通信基本流程，总结通信的基本步骤：
服务器端：
第一步：创建一个用于监听连接的Socket对象;
第二步：用指定的端口号和服务器的ip建立一个Endpoint对象；
第三步：用Socket对象的Bind()方法绑定Endpoint；
第四步：用Socket对象的Listening()方法开始监听；
第五步：接收到客户端的连接，用socket对象的Accept()方法创建一个新的用于和客户端进行通信的Socket对象。
第六步：通信结束后一定记得关闭socket。
客户端：
第一步：建立一个Socket对象。
第二步：用指定的端口号和服务器的ip建立一个Endpoint对象。
第三步：用Socket对象的Connect()方法以上建立的Endpoint对象做参数，向服务器端发出连接请求。
第四步：如果连接成功，就用Socket对象的Send()方法向服务器发送信息。
第五步：用Socket对象的Send()方法向服务器发送消息。
第六步：通信结束后一定记得关闭socket。