网络编程基础
揭开Socket编程的面纱
对 TCP/IP 、 UDP 、 Socket 编程这些词你不会很陌生吧？随着网络技术的发展，这些词充斥着我们的耳朵。那么我想问：
1. 什么是 TCP/IP、UDP？
2. Socket在哪里呢？
3. Socket是什么呢？
4. 你会使用它们吗？
什么是TCP/IP、UDP？
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这里有一张图，表明了这些协议的关系。
图1
TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。
当然对于编程人员来说还有最重要的一点：TCP/IP协议中包含自动验证数据有效性机制，如果传输过程中丢包，系统会自动请求数据包重发。而UDP则不考虑丢包问题。当然UDP没有验包机制，自然性能会有所提高。
Socket在哪里呢？
在图1中，我们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？还是用图来说话，一目了然。
图2
原来Socket在这里。
Socket是什么呢？
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。通俗的来说：Socket并不是网络传输协议，他只是对网络传输协议进行了封装，从而使得可以在前台使用相同方法进行基于TCP协议与UDP协议的通讯了。
你会使用它们吗？
前人已经给我们做了好多的事了，网络间的通信也就简单了许多，但毕竟还是有挺多工作要做的。以前听到Socket编程，觉得它是比较高深的编程知识，但是只要弄清Socket编程的工作原理，神秘的面纱也就揭开了。
一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 生活中的场景就解释了这工作原理，也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中，这也不一定。
图3
先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。
TCP/IP协议引入了下列几个概念
端口
网络中可以被命名和寻址的通信端口，是操作系统可分配的一种资源。
按照OSI七层协议的描述，传输层与网络层在功能上的最大区别是传输层提供进程通信能力。从这个意义上讲，网络通信的最终地址就不仅仅是主机地址了，还包括可以描述进程的某种标识符。为此，TCP/IP协议提出了协议端口（protocol port，简称端口）的概念，用于标识通信的进程。
端口是一种抽象的软件结构（包括一些数据结构和I/O缓冲区）。应用程序（即进程）通过系统调用与某端口建立连接（binding）后，传输层传给该端口的数据都被相应进程所接收，相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出。在TCP/IP协议的实现中，端靠纪纪作类似于一般的I/O操作，进程获取一个端口，相当于获取本地唯一的I/O文件，可以用一般的读写原语访问之。
类似于文件描述符，每个端口都拥有一个叫端口号（port number）的整数型标识符，用于区别不同端口。由于TCP/IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块，因此各自的端口号也相互独立，如TCP有一个255号端口，UDP也可以有一个255号端口，二者并不冲突。
端口号的分配是一个重要问题。有两种基本分配方式：第一种叫全局分配，这是一种集中控制方式，由一个公认的中央机构根据用户需要进行统一分配，并将结果公布于众。第二种是本地分配，又称动态连接，即进程需要访问传输层服务时，向本地操作系统提出申请，操作系统返回一个本地唯一的端口号，进程再通过合适的系统调用将自己与该端口号联系起来（绑扎）。TCP/IP端口号的分配中综合了上述两种方式。TCP/IP将端口号分为两部分，少量的作为保留端口，以全局方式分配给服务进程。因此，每一个标准服务器都拥有一个全局公认的端口（即周知口，well-known port），即使钥纪纪同机器上，其端口号也相同。剩余的为自由端口，以本地方式进行分配。TCP和UDP均规定，小于256的端口号才能作保留端口。
地址
网络通信中通信的两个进程分别钥纪纪同的机器上。在互连网络中，两台机器可能位涌纪纪同的网络，这些网络通过网络互连设备（网关，网桥，路由器等）连接。因此需要三级寻址：
1. 某一主机可与多个网络相连，必须指定一特定网络地址；
2. 网络上每一台主机应有其唯一的地址；
3. 每一主机上的每一进程应有在该主机上的唯一标识符。
通常主机地址由网络ID和主机ID组成，在TCP/IP协议中用32位整数值表示；TCP和UDP均使用16位端口号标识用户进程。
网络字节顺序
不同的计算机存放多字节值的顺序不同，有的机器在起始地址存放低位字节（低价先存），有的存高位字节（高价先存）。为保证数据的正确性，在网络协议中须指定网络字节顺序。TCP/IP协议使用16位整数和32位整数的高价先存格式，它们均含在协议头文件中。
连接
两个进程间的通信链路称为连接。连接在目纪纪表现为一些缓冲区和一组协议机制，在外部表现出比无连接高的可靠性。
半相关
综上所述，网络中用一个三元组可以在全局唯一标志一个进程：
（协议，本地地址，本地端口号）
这样一个三元组，叫做一个半相关（half-association），它指定连接的每半部分。
全相关
一个完整的网间进程通信需要由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议。也就是说，不可能通信的一端用TCP协议，而另一端用UDP协议。因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识：
（协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号）
这样一个五元组，叫做一个相关（association），即两个协议相同的半相关才能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。
顺序
在网络传输中，两个连续报文在端－端通信中可能经过不同路径，这样到达目的地时的顺序可能会与发送时不同。"顺序"是指接收数据顺序与发送数据顺序相同。TCP协议提供这项服务。
差错控制
保证应用程序接收的数据无差错的一种机制。检查差错的方法一般是采用检验"检查和（Checksum）"的方法。而保证传送无差错的方法是双方采用确认应答技术。TCP协议提供这项服务。
流控制
在数据传输过程中控制数据传输速率的一种机制，以保证数据不被丢失。TCP协议提供这项服务。
字节流
字节流方式指的是仅把传输中的报文看作是一个字节序列，不提供数据流的任何边界。TCP协议提供字节流服务。
客户/服务器模式
在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器模式（Client/Server model），即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。客户/服务器模式的建立基于以下两点：首先，建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而造就拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用。其次，网间进程通信完全是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区，因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基涌纪纪户/服务器模式的TCP/IP。
客户/服务器模式钥纪纪作过程中采取的是主动请求方式：
首先服务器方要先启动，并根据请求提供相应服务：
1. 打开一通信通道并告知本地主机，它愿意在某一公认地址上（192。168.1.100：12345）接收客户请求；
2. 等待客户请求到达该端口；
3. 接收到重复服务请求，处理该请求并发送应答信号。接收到并发服务请求，要激活一新进程来处理这个客户请求。新进程处理此客户请求，并不需要对其它请求作出应答。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。
4. 返回第二步，等待另一客户请求。
5. 关闭服务器
客户方：
1. 打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口；
2. 向服务器发服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求......
3. 请求结束后关闭通信通道并终止。
从上面所描述过程可知：
1. 客户与服务器进程的作用是非对称的，因此编码不同。
2. 服务进程一般是先涌纪纪户请求而启动的。只要系统运行，该服务进程一直存在，直到正常或强迫终止。
套接字类型
TCP/IP的socket提供下列三种类型套接字。
流式套接字（SOCK_STREAM）
提供了一个面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。内设流量控制，避免数据流超限；数据被看作是字节流，无长度限制。文件传送协议（FTP）即使用流式套接字。
数据报式套接字（SOCK_DGRAM）
提供了一个无连接服务。数据包以独立包形式被发送，不提供无错保证，
数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。网络文件系统（NFS）使用数据报式套接字。
原始式套接字（SOCK_RAW）
该接口允许对较低层协议，如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。
基本套接字系统调用
创建套接字──socket()
应用程序在使用套接字前，首先必须拥有一个套接字，系统调用socket()向应用程序提供创建套接字的手段，其调用格式如下：
Socket(AddressFamily, SocketType, ProtocolType) 使用指定的地址族、套接字类型和协议初始化 Socket 类的新实例。
AddressFamily：指定 Socket 类的实例可以使用的寻址方案。（InterNetwork是只基于IPv4。）
SocketType：指定 Socket 类的实例表示的套接字类型。（Stream支持可靠、双向、基于连接的字节流，而不重复数据，也不保留边界。此类型的 Socket 与单个对方主机进行通信，并且在通信开始之前需要远程主机连接。Stream使用传输控制协议ProtocolType.Tcp 和 AddressFamily. InterNetwork。）
ProtocolType: 指定 Socket 类支持的协议。（TCP 基于TCP协议。）
指定本地地址──bind()
当一个套接字用socket()创建后，存在一个名字空间(地址族),但它没有被命名。bind()将套接字地址（包括本地主机地址和本地端口地址）与所创建的套接字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。其调用格式如下：
public void Bind(EndPoint localEP)
使 Socket 与一个本地终结点相关联。地址在建立套接字通信过程中起着重要作用，作为一个网络应用程序设计者对套接字地址结构必须有明确认识。（IP+端口）
建立套接字连接──connect()与accept()
这两个系统调用用于完成一个完整相关的建立，其中connect()用于建立连接。无连接的套接字进程也可以调用connect()，但这时在进程之间没有实际的报文交换，调用将从本地操作系统直接返回。这样做的优点是程序员不必为每一数据指定目的地址，而且如果收到的一个数据报，其目的端口未与任何套接字建立"连接"，便能判断该端靠纪纪可操作。而accept()用于使服务器等待来自某客户进程的实际连接。
connect()的调用格式如下：
public void Connect(IPAddress address,int port)
address：远程主机IP地址
port：远程主机端口号
accept()的调用格式如下：
public Socket Accept()
Accept 以同步方式从侦听套接字的连接请求队列中提取第一个挂起的连接请求，然后创建并返回新的 Socket。
监听连接──listen()
此调用用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。listen()需在accept()之前调用，其调用格式如下：
public void Listen(int backlog)
backlog：表示请求连接队列的最大长度，用于限制排队请求的个数。如果没有错误发生，listen()返回0。若要确定可指定的最大连接数，请检索 MaxConnections 值
listen()在执行调用过程中可为没有调用过bind()的套接字s完成所必须的连接，并建立长度为backlog的请求连接队列。
调用listen()是服务器接收一个连接请求的四个步骤中的第三步。它在调用socket()分配一个流套接字，且调用bind()给s赋于一个名字之后调用，而且一定要在accept()之前调用。
数据传输──send()与Receive ()
当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有send()和Receive ()。
Send()用于发送数据，常用格式如下：
public int Send(byte[] buffer)
buffer：Byte 类型的数组，它包含要发送的数据
返回值：已发送到Socket的字节个数
Receive()方法用于接收数据，常用格式如下：
public int Receive(byte[] buffer)
buffer：Byte 类型的数组，它是存储接收到的数据的位置。
返回值：接收到数据个数。
关闭套接字──Close ()
close()关闭套接字s，并释放分配给该套接字的资源；如果s涉及一个打开的TCP连接，则该连接被释放。close()的调用格式如下：
public void Close()
Close 方法可关闭远程主机连接，并释放所有与 Socket 关联的托管资源和非托管资源。关闭后，Connected 属性将设置为 false。对于面向连接的协议，建议先调用 Shutdown，然后再调用 Close 方法。这可以确保在已连接的套接字关闭之前，已发送和接收该套接字上的所有数据。
典型套接字使用实例
基于WinForm实现两台计算机通讯实例。
服务器
界面如下：
代码：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using System.Net.Sockets;
using System.Net;
using System.Threading;
namespace Server
{
public partial class Form1 : Form
{
// 服务器端Socket对象，用于监听
Socket sock = null;
// 客户端Socket对象，保持1个客户端连接
Socket client = null;
// 监听线程
Thread th = null;
public Form1()
{
InitializeComponent();
// 声明不做线程间调用验证，不然报错
System.Windows.Forms.Form.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
}
private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e)
{
if (sock != null)
return;
// 创建服务端Socket对象，基于IPv4，流，TCP
sock = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
// 创建端点 监听所有地址,12345端口
IPEndPoint ip = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 12345);
// Bind
sock.Bind(ip);
// 开始监听
sock.Listen(5);
// 创建监听线程
th = new Thread(new ThreadStart(Receive));
// 设置后台线程
th.IsBackground = true;
// 启动线程
th.Start();
}
public void Receive()
{
// 等待客户端连接
client = sock.Accept();
// 开始监听信息
while (true)
{
byte[] buffer = new byte[1024];
int len = client.Receive(buffer);
string mess = "Client:"+Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, len);
rtbShow.AppendText(mess + "\r\n");
Thread.Sleep(500);
}
}
private void btnSend_Click(object sender, EventArgs e)
{
client.Send(Encoding.UTF8.GetBytes(txtSend.Text));
rtbShow.AppendText("Server:"+txtSend.Text + "\r\n");
}
private void Form1_FormClosing(object sender, FormClosingEventArgs e)
{
// 窗体关闭 挂起线程
if (th != null)
th.Abort();
}
}
}
客户端
界面：
代码：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using System.Net.Sockets;
using System.Net;
using System.Threading;
namespace Client
{
public partial class Form1 : Form
{
Socket server = null;
Thread th = null;
public Form1()
{
InitializeComponent();
System.Windows.Forms.Form.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
}
private void btnConnect_Click(object sender, EventArgs e)
{
if (server != null)
return;
server = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
IPAddress ip = IPAddress.Parse("127.0.0.1");
server.Connect(ip, 12345);
th = new Thread(new ThreadStart(Receive));
th.IsBackground = true;
th.Start();
}
private void Receive()
{
while (true)
{
byte[] buffer = new byte[1024];
int len =server.Receive(buffer);
rtbShow.AppendText("Server:" + Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, len) + "\r\n");
Thread.Sleep(500);
}
}
private void btnSend_Click(object sender, EventArgs e)
{
server.Send(Encoding.UTF8.GetBytes(txtSend.Text));
rtbShow.AppendText("client:"+txtSend.Text+"\r\n");
}
private void Form1_FormClosing(object sender, FormClosingEventArgs e)
{
if (th != null)
th.Abort();
}
}
}