“.NET 4.0 网络开发入门之旅系列文章”—— IP 知多少？(下）
“.NET 4.0 网络开发入门之旅系列文章”——
IP 知多少？（下）
前一部分： IP 知多少？（中）
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：
/// 以交互方式生成有效的远程主机访问终结点 , 适用于控制台程序
public static IPEndPoint GetRemoteMachineIPEndPoint()
{
IPEndPoint iep = null;
try
{
Console.Write(" 请输入远程主机的 IP 地址： ");
IPAddress address = IPAddress.Parse(Console.ReadLine());
Console.Write(" 请输入远程主机打开的端口号： ");
int port = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
if (port > 65535 || port < 1024)
throw new Exception(" 端口号应该为 [1024,65535] 范围内的整数 ");
iep = new IPEndPoint(address, port);
}
catch (ArgumentNullException)
{
Console.WriteLine(" 输入的数据有误！ ");
}
catch (FormatException)
{
Console.WriteLine(" 输入的数据有误！ ");
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
return iep;
}
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。
1. 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：
public static int GetOneAvailablePortInLocalhost()
{
IPEndPoint ep = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
using (Socket tempSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork,
SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp))
{
tempSocket.Bind(ep);
IPEndPoint ipep = tempSocket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
return ipep.Port;
}
}
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：
// 获取本机当前可用的端口号，此方法是线程安全的
public static int GetOneAvailablePortInLocalhost()
{
Mutex mtx = new Mutex(false, "MyNetworkLibrary.AddressHelper.GetOneAvailablePort");
try
{
mtx.WaitOne();
IPEndPoint ep = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
using (Socket tempSocket = new Socket(
AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp))
{
tempSocket.Bind(ep);
IPEndPoint ipep = tempSocket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
return ipep.Port;
}
}
finally
{
mtx.ReleaseMutex();
}
}
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。
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。
========================================================
点击查看本系列的下一篇文章
《 .NET 4.0网络开发入门之旅-- 我在“网” 中央》