与Socket的第一次“约会”

.NET 4.0网络开发入门之旅--

与Socket的第一次“约会”

 

注：

    这是一个针对 网络开发领域初学者 的系列文章，可作为《.NET 4.0 面向对象编程漫谈 》一书的扩充阅读，写作过程中我假设读者可以对照阅读此书的相关章节，不再浪费笔墨重复介绍相关的内容。

    对于其他类型的读者，除非您已经有相应的.NET 技术背景与一定的开发经验，否则，阅读中可能会遇到困难。

    我希望这系列文章能让读者领略到网络开发的魅力！

    另外，这些文章均为本人原创，请读者尊重作者的劳动，我允许大家出于知识共享的目的自由转载这些文章及相关示例，但未经本人许可，请不要用于商业盈利目的。

      本文如有错误，敬请回贴指正。

    谢谢大家！

 

                                                          金旭亮

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点击以下链接阅读本系列前面的文章：

 

《 开篇语—— 无网不胜》

《 IP知多少》

《我在“网” 中央 》

 

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      在前面的文章中，我们已经介绍了使用.NET平台开发网络应用程序诸如IP地址、网络接口之类的背景知识，本文将介绍.NET网络应用程序的主角--Socket。如果把Socket比喻为一位“美女”，那么有关她的“爱情故事”实在太多，而本系列后继的文章，就围绕着这位“美女”所展开。
1    Socket美女的“家庭背景”
    Socket，中文译为“套接字”，最早在UNIX中引入并得到广泛应用，后来微软在设计Windows时引入了UNIX中的这个概念和相应的设计理念，并针对Windows的特性略作调整，形成了Windows平台上的Socket，简称为“WinSock”，并为开发者提供了一整套的API，称为“Windows WinSock Win32 API ”。
      WinSock经历了两个版本，Windows Sockets 2是目前用得最多的版本（参看 http://en.wikipedia.org/wiki/Winsock ），微软似乎从来没有宣布要开发WinSock 3，也许“永远也不会有”了。
     图 1所示为.NET平台下网络应用程序的层次架构：

图 1

    WinSock在底层使用一个运行于操作系统核心的系统驱动（Windows Sockets Knernel-mode Driver）tcpip.SYS，由它们负责管理网络连接和缓冲管理。
    还有另一个驱动Afd.sys（Ancillary Function Driver for WinSock）则用于支持基于 window socket的应用程序，比如ftp、telnet等，被称为“ Windows NT 套接字驱动程序 ”。
    早期的Windows开发者，需要使用C/C++去调用WinSock，比如MFC就提供了一个“CSocket”类封装底层的Socket。
    .NET也提供了一组类来封装WinSock Win32 API，这些类集中于System.Net这一命名空间中，其中的核心类型就是Socket。
    Socket类是对WinSock API一个很浅的封装，拥有不少方法直接对应于WinSock中的C/C++函数，比如Poll、Select、IOControl等。
    Socket有一个Handle属性，它引用位于操作系统核心的Socket核心对象。

    提示：
    有关系统核心对象（Kernel Object）的通俗解释，请参看《.NET 4.0面向对象编程漫谈 》中的15.1.2节《操作系统的进程管理》

    Socket提供了众多的属性，还提供了SetSocketOption方法来设置各种选项，对.NET网络应用程序的数据通讯进行“微调”。
    Socket的功能出奇地强大，在.NET平台上，它支持以下四种典型的编程模式：

（1） 居于阻塞模式的Socket编程（单线程或多线程的），每个线程处理一个客户端连接
（2）“非阻塞”模式的Socket编程，这是早期UNIX为提升网络应用程序性能而采用的编程模式，出于兼容和方便移植原有程序的目的而保留，建议新开发的.NET网络程序不要再使用。
（3） 使用IAsyncResult的异步编程模式：Socket类提供有一堆的“BeginXXX/EndXXX”方法实现异步Socket编程，使用线程池中的线程完成工作，性能较好。
（4）    使用EAP的异步编程模式：Socket类提供了“另一堆”以“Async”结尾的方法，在底层使用Windows操作系统的Completion Port（完成端口）和Overlapped I/O mechanism（重叠输入/输出机制），据说可以提供“最高”的性能。
    在后面的文章中，将逐步地展开介绍这些编程模式。

    提示：
    强烈建议读者仔细阅读《.NET 4.0面向对象编程漫谈 》中的第10章《异步编程模式》，以提前掌握.NET异步编程的基础知识与基本技能，否则，后面的文章可以不用看了。

    了解了Socket这位“美女”的“家庭背景”之后，在与她进行第一次“约会”之前，我们不妨弄清楚一个问题：
    现在我们还有必要掌握Sokcet编程技术吗?

2    Socket是否已人老珠黄？
    基于Socket开发网络应用程序已经有很多年的历史了，现在的新技术层出不穷，在.NET平台之上，WCF大有“一统江湖”的势头，Socket是否真的“人老珠黄”？
    请看图 2所示的多层“松花蛋”：

图 2

    图 2说明，WCF与WinSocket等底层技术之间实际上是一种“包含”关系，每一层都在下一层所提供服务的基础上，又扩充了新的功能，越外层的应用程序，可以使用的功能往往越多，开发效率往往也会更高。
    WCF在WinSocket的基础之上扩充了大量的功能，使用它可以很高效地开发网络应用程序，尤其非常适合于开发基于SOA的分布式软件系统，但这并不是说它可以完全把Socket打入冷宫。在不少场合，抛弃WCF那庞大的框架，直接使用Socket更合适：
    （1）需要实现自己的通讯协议的场合（比如你要架设一个网络游戏服务器）
    （2）你开发的系统需要实现“一问一答”的“交互式”运行模式
    （3）你希望能全面控制你的网络应用程序的“每个方面”，不想花时间去理解WCF那个复杂无比的内部架构
    （4）你的网络应用程序应用背景非常单一与明确，比如就解决一个问题：定期将分布于多台计算机上的数据文件上传“汇总”到一台中心服务器上。
    （5）……
    如果需要基于各种标准协议（比如WS-*等）开发SOA的分布式软件系统，再使用Socket就不合适了，那会大大地增加开发的工作量和难度，WCF更适合于解决这个问题。
    在实际开发中，我们还可以混用WCF和Socket。比如我们可以基于WCF开发P2P的应用程序，使用NetPeerTcpBinding在P2P节点间“广播消息”，然后，在两个P2P节点之间直接使用Socket“私下”里传送一个“秘密”文件。
    是可谓“运用之妙，存乎一心 ”。
    好了，下面就介绍使用Socket开发的最基础知识吧。

3     第一个Socket应用程序
    一般我们都将网络应用中用于提供“服务”的一方称为“服务端应用程序（Server）”，另一方访问这些服务的称为“客户端应用程序（Client）”。Server端和Client端的Socket用法是不一样的。
    3.1 服务端应用程序
    开发网络程序的第一步，是创建Socket对象，以下是示例代码：

    Socket newsock = new Socket(
        AddressFamily.InterNetwork,    //使用IPv4
        SocketType.Stream, //使用可靠的双向数据流，不保存信息边界
        ProtocolType.Tcp  //使用TCP协议
    );

    紧接着，需要将Socket对象“绑定（Bind） ”到一个“终结点（IPEndPoint的实例）”。

    IPEndPoint ipep = new IPEndPoint(IP地址,打开端口);  //绑定
    newsock.Bind(ipep);

    提示：
    前面的《IP知多少 》一文中介绍过IPEndPoint。WCF中也定义了“终结点 ”，它代表一个WCF服务的访问点。
   
    “绑定（Bind） ”这个术语非常值得关注，简单地说，“绑定”就是将原先可能不相关的两个事物“关联”起来，打个可能不太恰当的比喻，“绑定”就是相爱的两个人最终决定结婚，并领了结婚证。
    “绑定”的身影在.NET平台中频频出现，比如“数据绑定（DataBind）”，就是使用控件将数据源中的数据展示在应用程序的界面上，并且将用户对数据的修改和查询等传给数据源。
    在Socket应用程序中，“绑定”的作用是让某个Socket对象关联上特定的网络接口（Network Interface）。一台网络主机可能安装有多个网络接口，“绑定”之后，Socket对象将可以在指定那个网络接口（Network Interface ）上监听。如果不需要指定特定的网络接口，也不在意使用的端口，那么，可以创建一个使用IPAddress.Any，端口为0的IPEndPoint，Socket绑定这一IPEndPoint之后，操作系统会决定最终使用哪个网络接口，并且在“[1024,5000]”之间的选择一个未用端口分配给此Socket。

注意：
    WCF中也有“绑定”，但WCF中的“绑定”的含义要丰富得多，它其实是一组特殊的对象，它的主要功能是创建用于实现WCF应用程序间相互通讯的“信道栈”，WCF基类库中提供了一堆的“绑定”，特定的绑定使用特定的通讯协议和技术，比如NetTcpBinding采用TCP协议，NetMsmqBinding则使用了微软消息队列。
   
    Socket对象绑定网络接口之后，就可以监听并等待客户端连接了：

    newsock.Listen(10);  //开始监听
    Socket client = newsock.Accept(); //等待客户端连接

    所谓“监听 （Listen） ”，其实是告诉操作系统：“我关心本机某个网络接口上的数据包，当有数据包到达，并且端口号和我所规定的一致，请通知我”。
    Socket.Listen方法的参数有着特殊的含义。此处暂时按下，留待后文分解。
    Socket.Accept方法等待客户端发来的连接请求数据包，默认情况下，这一方法是“同步”方法，线程将在此处阻塞等待，直到有客户发来连接请求。
    当客户端发来连接请求时，Accept方法返回一个Socket对象，这个对象代表双方已建立了一条数据通讯的链路，可以相互传送数据了。这时，原先的Socket将得到“解放”，可以继续监听。

    注意：
    负责监听的Socket不负责发送与接收数据，而Accept方法返回的Socket可以用于接收和发送数据，但不能用于接收新的连接，同时，其RemoteEndPoint方法可以获取远程客户端的IP地址和使用的端口

    以下代码调用刚得到的Socket对象的Receive方法接收客户端发来的数据：

    byte[] data = new byte[1024];
     int r ecv = client.Receive(data);

    Socket.Receive方法也是一个“阻塞”的同步方法，它将收到的数据保存到一个字节数组中，这个字节数组通常称为“数据缓冲区”。

    提示：
    数据缓冲区在Socket编程中非常重要，读者会发现，在开发中你时时刻刻都得关注它，一不小心，它就给你捣乱。

    Receive方法的返回值代表接收的数据字节数。以下代码使用这一返回值了解客户端到底发来了什么消息：

    Console.WriteLine(Encoding.UTF8 .GetString(data, 0, recv ));

    上面这句代码中有几点需要特别注意：
    （1）一定要使用recv来“定界”客户端传来的数据。
    （2）我们假设客户端发送过来的消息是一个字符串，这里使用UTF8进行解码。很明显，这要求客户端与服务端必须事先达成一致，使用同样的编码和解码方式。这种需要在事先进行协商的“东西”，就是“通讯协议 ”。不同的网络应用会使用不同的通讯协议，比如互联网普遍使用HTTP，这是一个业界标准，而我们也可以定义自己的通讯协议，比如QQ就有自己的通讯协议。
   
    提示：
    我在《 漫谈.NET开发中的字符串编码 》一文中介绍了字符串编码的基础知识。

    数据接收完毕，服务端就可以断开客户的连接：

    client.Shutdown(SocketShutdown.Both);  //通知OS，不再接收与发送数据
    client.Close();    //关闭Socket

    完成数据传送任务之后，注意应该及时地关闭Socket。这通常分为两步：
    （1）调用Shutdown方法通知TCP/IP协议栈发送所有未发送的数据，或停止接收数据
    （2）调用Close方法关闭套接字。
    Socket本身对应着一个核心对象，它有一个句柄（Handle）供操作系统内核进行管理。因此，它不再有用时必须及时地被关闭，否则，有可能会造成严重的问题。

    提示：
    操作系统能管理的句柄数是有限的，而网络应用服务端程序通常会运行很长的时间，如果不及时地关闭不用的Socket，将导致它所占用的句柄不能及时回收，有可能导致服务器Down掉。

    Socket本身实现了IDisposable接口，所以也可以使用using关键字实现“自动释放”：

    using (newsock)
    {
           ……
    }  //自动关闭newsock

    3.2 客户端应用程序
    客户端应用程序与服务端大同小异：
    首先创建好一个Socket对象，然后再调用其Connect方法创建到服务端的连接，如果之前Socket没有使用Bind方法指定一个端口，Connect方法会自动选择一个未用的端口：

    Socket server = new Socket( AddressFamily.InterNetwork,
                    SocketType.Stream,  ProtocolType.Tcp );
    server.Connect(服务端的IP终结点);

    如果Connect方法没有抛出异常，则表示成功连接服务器，现在，就可以使用Socket对象的Send方法发送数据，数据同样保存于一个数据缓冲区（其实就是一个byte[]）中：

    server.Send(Encoding.UTF8 .GetBytes(要发送的消息));

    注意这里选择的字符串编码方式必须要与服务端一致，否则，将导致服务端无法正确地解码出字符串。
    数据发送完毕，关闭套接字就行了。
    3.3 处理网络应用程序中的异常
    Socket对象的Connect、Send、Receive等方法都有可能出错，这时，.NET基类库将抛出一个SocketException，它实际上封装的是底层WinSock出错信息。
    每一个SocketException对象都有一个对应的错误号，其含义是由底层的WinSock定的。比如错误号为10048的SocketException其含义是：地址已被使用。发生这一异常的原因通常是你尝试把两个Socket对象绑定到同一个IPEndPoint。
    以下是Socket网络应用程序中的典型代码框架：

    Socket remote=new Socket(……);
    try
    {
        //……
        remote.Connect(iep);  //iep为远程主机的终结点
        //……
        remote.Send(……);
        //……
    }
    catch (SocketException e)
    {
        Console.WriteLine("无法连接远程主机 {0} ,原因：{1}，
            NativeErrorCode：{2},SocketErrorCode:{3}", iep.Address,
            e.Message, e.NativeErrorCode, e.SocketErrorCode);
    }
    finally
    {
        server.Close();
    }

    示例项目IntroduceSocket展示了本文所介绍的知识（图 3）。

 

图 3

    到此，我们与“Socket美女”的“第一次约会”到此结束。您对她的第一印象如何？

 

点击下载本文示例

 

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    下一篇文章，将介绍Socket美女的“追求者”队伍，以及如何开发“一问一答”的网络应用程序。