IP 知多少?(下)
4. IP终结点
现在介绍.NET网络开发中最重要的一个概念——IP终结点,.NET基类库中使用IPEndPoint类型代表它。
要想理解它,还得从TCP/IP说起。
前面说过,所有连在网络上的计算机都必须要有一个唯一的IP地址,它用于区分开网络上的不同计算机,现在的问题是:一台网络计算机上可能跑着多个网络应用程序,它们可能会使用同一个网络接口从网络中接收(或发送)数据,因而共享同一个IP地址,在这种情况下,你怎么将到达主机的数据包转发给真正的“需求者”?
为了解决这个问题,TCP/IP协议设计者引入了“端口(Port)”这个概念,规定每个提供网络服务的应用程序都必须指定一个“端口”,不同的网络应用程序不能使用相同的端口。
请看以下TCP数据包的结构:
图 4
每个TCP数据包都包容着两个端口信息(每个端口占2个字节,是一个16位的二进制数值,所以,最大端口值为2的16次方减1,为65535)。Source port指明发送此数据包的网络应用程序使用的端口,Destination port指明接收方网络应用程序使用的端口。
这样一来,接收方计算机依据Destination port,就可以把此数据包转发给真正的网络应用程序。
在Windows平台上,操作系统内核中的TCP/IP驱动(\Windows\System32\drivers文件夹下的tcpip.sys)负责完成处理TCP数据包的工作。
端口的问题解决了,但我们在TCP数据包中没有看到IP地址啊?没有这个地址,数据包怎样知道应该被送给哪台计算机?
方法是这样的。
由于TCP协议建构于IP协议之上, TCP数据包由IP数据包承载,(图5)。
图 5
图5中清晰地展示出IP数据包中包容有发送此数据包的主机IP地址(即Source IP Address)和接收此数据包的主机IP地址(即Destination IP Address)信息。
图5中的“数据(Data)”部分,包容的就是TCP数据包。
由此可知,IP地址与端口唯一地标识了一个网络中的网络应用程序,我们将这个组合称为“IP终结点(IP EndPoint)”,IP EndPoint是一个网络服务的访问点。
提示:
类似地,WCF中也有一个服务终结点(ServiceEndpoint),它代表一个WCF服务的访问点。大家看到了软件技术各领域之间的联系了吗?
在.NET中,使用IPEndPoint类表示一个IP终结点(图6),它派生自抽象基类EndPoint,注意它的3个属性(Address\AddressFamily\Port)所表达的重要信息。
图 6
在.NET网络应用程序中,套接字(Socket)对象必须绑定到一个IPEndPoint对象。
为了方便,我们编写了一个静态方法GetRemoteMachineIPEndPoint,并将其添加到前面介绍过的AddressHelper静态类中:
后面的示例将大量使用此方法创建可供Socket绑定的IP终结点对象。
5. 我可以使用哪个端口?
在实际开发中,经常需要为某个网络服务动态地指定一个端口,为避免与一些重要的网络服务程序冲突(比如80端口固定为Web服务器所使用)通常要求这个端口应位于[1024,65535]这区间内。
现在的问题是怎样从中选取一个没有被占用的端口?要知道,某台计算机上运行的网络应用程序可能有多个,而且在不同的时间段内也不一样。
IPAddress.Any这个特殊的地址可以派上用场了,当一个套接字对象绑定一个IPAddress.Any对象,并给其指定端口号为0时,Windows会自动为其分配一个未被占用的端口号,当套接字对象不再使用而可以被回收时,此端口将可以被复用。
由此我们可以得到以下的思路:
创建一个套接字对象,让它绑定到IPAddress.Any对象,提取出系统分配的端口,然后再销毁掉此套接字对象。
Socket对象实现了IDisposable接口,所以可以使用using关键字来自动回收其占用的资源:
以下是我们编写的代码片段:
提示:
一个对象实现IDisposable接口有许多讲究,.NET为此设计了一个“IDisposable编程模式”,请参看《.NET 4.0面向对象编程漫谈》的5.5节《与对象销毁相关的话题》
呵呵,现在,我们在应用程序中可以随时调用AddressHelper. GetOneAvailablePortInLocalhost()方法获取一个可用端口了,真给力!
但别高兴得太早!
你考虑过两个网络应用程序(或同一应用程序的两个线程)同时调用上述方法获取可用端口的情形吗?
这时,无法保证此方法的两次调用一定返回不同的端口。如果两个Socket对象尝试绑定到同一个IPEndPoint,将会引发一个SocketException异步。
为此,我们需要一个能跨越进程边界的线程同步手段。
命名的互斥同步对象Mutex可以解决这个问题,修正后的代码如下:
提示:
《.NET 4.0面向对象编程漫谈》的17.3.2节详细介绍了Mutex对象的使用方法,15.3.5节介绍了如何活用命名Mutex对象实现应用程序的“单例模式”(即此应用程序不允许同时启动两个进程),以及如何利用它来现进程间的“通知机制”。建议读者对照学习。
其实严格地说,除非将获取可用端口号以及后继的Socket对象绑定工作一起用Mutex“保护”起来,否则上述修改过的代码还是有可能得到一样的端口号的, 但这种可能性非常低,就算发生了,也可以很容易地使用异常捕获方法处理Socket对象绑定异常,再次尝试将其绑定到一个新的可用端口。
好了,本文就写到这里吧。
给读者留个作业:
1 依据本文介绍的内容使用Visual Studio创建类库项目MyNetworkLibrary,将GetLocalhostIPv4Addresses()、GetRemoteMachineIPEndPoint()、GetOneAvailablePortInLocalhost()三个方法封装到AddressHelper静态类中,后面文章的示例将调用它们。
2 .NET基类库中提供了一个Ping组件用于检测网络连接性,请先通过MSDN自学它的使用方法。
后一篇文章——《我在“网”中央》(暂名)将介绍这方面的内容。