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C#网络编程二：Socket编程
一：什么是SOCKET
socket的英文原义是“孔”或“插座”。作为进程通信机制，取后一种意思。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非常类似于电话插座。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。然后向对方拨号呼叫，相当于发出连接请求。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收信号的过程，相当于向socket发送数据和从socket接收数据。通话结束后，一方挂起电话机相当于关闭socket，撤销连接。
1、套接字分类
为了满足不同程序对通信质量和性能的要求，一般的网络系统都提供了以下3种不同类型的套接字，以供用户在设计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的字节流。在TCP/IP协议簇中，使用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式套接字。
数据报套接字（SOCK_DGRAM）：提供了一种无连接、不可靠的双向数据传输服务。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重复，并且不能保证在接收端数据按发送顺序接收。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）：该套接字允许对较低层协议（如IP或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
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，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务（应用程序），因此，在网络协议中使用端口号识别主机上不同的进程。
例如：http使用80端口，FTP使用21端口。
2、协议
2.1 TCP：
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。为两台主机提供高可靠性的数据通信服务。它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，以适合于在网络层中传输；当接收到网络层传来的分组时，它要对收到的分组进行确认，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传输的效率比较低。
2.1.1 TCP的工作过程
TCP是面向连接的协议，TCP协议通过三个报文段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），同时自己也发送一个SYN包（SEQ=y），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收对方发来的数据。TCP协议负责把用户数据（字节流）按一定的格式和长度组成多个数据报进行发送，并在接收到数据报之后按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连接只能有两个端点，而且只能一对一通信，不能一点对多点直接通信。
(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，并且保证各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收语句时，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收语句时，不论工作是否完成，都会继续往下执行。
2.2 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，不管对方状态如何都直接发送过去。这与发手机短信非常相似，只要知道对方的手机号就可以了，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，但数据传输的效率较高。
2.1.1 UDP与TCP的区别
(1) UDP可靠性不如TCP
TCP包含了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；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其他信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。与TCP不同，UDP并不提供数据传送的保证机制。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或提示。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收顺序。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，因为它的传输速度快，使通过网络播放的视频音质好、画面清晰。
(2) UDP有消息边界
发送方UDP对应用程序交下来的报文，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问题，这样使得UDP编程相比TCP，在对接收到的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，无疑使速度受到严重影响。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的“理念”就是“不顾一切，只为更快地发送数据”。
三：socket一般应用模式：
四：SOCKET通信基本流程图：
根据socket通信基本流程图，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对像；
第二步：用指定的端口号和服务器的ip建立一个EndPoint对像；
第三步：用socket对像的Bind()方法绑定EndPoint；
第四步：用socket对像的Listen()方法开始监听；
第五步：接收到客户端的连接，用socket对像的Accept()方法创建一个新的用于和客户端进行通信的socket对像;
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对像；
第二步：用指定的端口号和服务器的ip建立一个EndPoint对像；
第三步：用socket对像的Connect()方法以上面建立的EndPoint对像做为参数，向服务器发出连接请求；
第四步：如果连接成功，就用socket对像的Send()方法向服务器发送信息；
第五步：用socket对像的Receive()方法接受服务器发来的信息 ;
第六步：通信结束后一定记得关闭socket；
五：示例程序
服务端界面：
代码实现如下：
1 using System; 2 using System.Collections.Generic; 3 using System.ComponentModel; 4 using System.Data; 5 using System.Drawing; 6 using System.Linq; 7 using System.Net; 8 using System.Net.Sockets; 9 using System.Text; 10 using System.Threading.Tasks; 11 using System.Windows.Forms; 12 using System.Threading; 13 using System.IO; 14 15 namespace SocketServer 16 { 17 public partial class FrmServer : Form 18 { 19 public FrmServer() 20 { 21 InitializeComponent(); 22 } 23 24 //定义回调:解决跨线程访问问题 25 private delegate void SetTextValueCallBack(string strValue); 26 //定义接收客户端发送消息的回调 27 private delegate void ReceiveMsgCallBack(string strReceive); 28 //声明回调 29 private SetTextValueCallBack setCallBack; 30 //声明 31 private ReceiveMsgCallBack receiveCallBack; 32 //定义回调：给ComboBox控件添加元素 33 private delegate void SetCmbCallBack(string strItem); 34 //声明 35 private SetCmbCallBack setCmbCallBack; 36 //定义发送文件的回调 37 private delegate void SendFileCallBack(byte[] bf); 38 //声明 39 private SendFileCallBack sendCallBack; 40 41 //用于通信的Socket 42 Socket socketSend; 43 //用于监听的SOCKET 44 Socket socketWatch; 45 46 //将远程连接的客户端的IP地址和Socket存入集合中 47 Dictionary<string, Socket> dicSocket = new Dictionary<string, Socket>(); 48 49 //创建监听连接的线程 50 Thread AcceptSocketThread; 51 //接收客户端发送消息的线程 52 Thread threadReceive; 53 54 /// <summary> 55 /// 开始监听 56 /// </summary> 57 /// <param name="sender"></param> 58 /// <param name="e"></param> 59 private void btn_Start_Click(object sender, EventArgs e) 60 { 61 //当点击开始监听的时候 在服务器端创建一个负责监听IP地址和端口号的Socket 62 socketWatch = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp); 63 //获取ip地址 64 IPAddress ip=IPAddress.Parse(this.txt_IP.Text.Trim()); 65 //创建端口号 66 IPEndPoint point=new IPEndPoint(ip,Convert.ToInt32(this.txt_Port.Text.Trim())); 67 //绑定IP地址和端口号 68 socketWatch.Bind(point); 69 this.txt_Log.AppendText("监听成功"+" \r \n"); 70 //开始监听:设置最大可以同时连接多少个请求 71 socketWatch.Listen(10); 72 73 //实例化回调 74 setCallBack = new SetTextValueCallBack(SetTextValue); 75 receiveCallBack = new ReceiveMsgCallBack(ReceiveMsg); 76 setCmbCallBack = new SetCmbCallBack(AddCmbItem); 77 sendCallBack = new SendFileCallBack(SendFile); 78 79 //创建线程 80 AcceptSocketThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(StartListen)); 81 AcceptSocketThread.IsBackground = true; 82 AcceptSocketThread.Start(socketWatch); 83 } 84 85 /// <summary> 86 /// 等待客户端的连接，并且创建与之通信用的Socket 87 /// </summary> 88 /// <param name="obj"></param> 89 private void StartListen(object obj) 90 { 91 Socket socketWatch = obj as Socket; 92 while (true) 93 { 94 //等待客户端的连接，并且创建一个用于通信的Socket 95 socketSend = socketWatch.Accept(); 96 //获取远程主机的ip地址和端口号 97 string strIp=socketSend.RemoteEndPoint.ToString(); 98 dicSocket.Add(strIp, socketSend); 99 this.cmb_Socket.Invoke(setCmbCallBack, strIp); 100 string strMsg = "远程主机：" + socketSend.RemoteEndPoint + "连接成功"; 101 //使用回调 102 txt_Log.Invoke(setCallBack, strMsg); 103 104 //定义接收客户端消息的线程 105 Thread threadReceive = new Thread(new ParameterizedThreadStart(Receive)); 106 threadReceive.IsBackground = true; 107 threadReceive.Start(socketSend); 108 109 } 110 } 111 112 113 114 /// <summary> 115 /// 服务器端不停的接收客户端发送的消息 116 /// </summary> 117 /// <param name="obj"></param> 118 private void Receive(object obj) 119 { 120 Socket socketSend = obj as Socket; 121 while (true) 122 { 123 //客户端连接成功后，服务器接收客户端发送的消息 124 byte[] buffer = new byte[2048]; 125 //实际接收到的有效字节数 126 int count = socketSend.Receive(buffer); 127 if (count == 0)//count 表示客户端关闭，要退出循环 128 { 129 break; 130 } 131 else 132 { 133 string str = Encoding.Default.GetString(buffer, 0, count); 134 string strReceiveMsg = "接收：" + socketSend.RemoteEndPoint + "发送的消息:" + str; 135 txt_Log.Invoke(receiveCallBack, strReceiveMsg); 136 } 137 } 138 } 139 140 /// <summary> 141 /// 回调委托需要执行的方法 142 /// </summary> 143 /// <param name="strValue"></param> 144 private void SetTextValue(string strValue) 145 { 146 this.txt_Log.AppendText(strValue + " \r \n"); 147 } 148 149 150 private void ReceiveMsg(string strMsg) 151 { 152 this.txt_Log.AppendText(strMsg + " \r \n"); 153 } 154 155 private void AddCmbItem(string strItem) 156 { 157 this.cmb_Socket.Items.Add(strItem); 158 } 159 160 /// <summary> 161 /// 服务器给客户端发送消息 162 /// </summary> 163 /// <param name="sender"></param> 164 /// <param name="e"></param> 165 private void btn_Send_Click(object sender, EventArgs e) 166 { 167 try 168 { 169 string strMsg = this.txt_Msg.Text.Trim(); 170 byte[] buffer = Encoding.Default.GetBytes(strMsg); 171 List<byte> list = new List<byte>(); 172 list.Add(0); 173 list.AddRange(buffer); 174 //将泛型集合转换为数组 175 byte[] newBuffer = list.ToArray(); 176 //获得用户选择的IP地址 177 string ip = this.cmb_Socket.SelectedItem.ToString(); 178 dicSocket[ip].Send(newBuffer); 179 } 180 catch (Exception ex) 181 { 182 MessageBox.Show("给客户端发送消息出错:"+ex.Message); 183 } 184 //socketSend.Send(buffer); 185 } 186 187 /// <summary> 188 /// 选择要发送的文件 189 /// </summary> 190 /// <param name="sender"></param> 191 /// <param name="e"></param> 192 private void btn_Select_Click(object sender, EventArgs e) 193 { 194 OpenFileDialog dia = new OpenFileDialog(); 195 //设置初始目录 196 dia.InitialDirectory = @""; 197 dia.Title = "请选择要发送的文件"; 198 //过滤文件类型 199 dia.Filter = "所有文件|*.*"; 200 dia.ShowDialog(); 201 //将选择的文件的全路径赋值给文本框 202 this.txt_FilePath.Text = dia.FileName; 203 } 204 205 /// <summary> 206 /// 发送文件 207 /// </summary> 208 /// <param name="sender"></param> 209 /// <param name="e"></param> 210 private void btn_SendFile_Click(object sender, EventArgs e) 211 { 212 List<byte> list = new List<byte>(); 213 //获取要发送的文件的路径 214 string strPath = this.txt_FilePath.Text.Trim(); 215 using (FileStream sw = new FileStream(strPath,FileMode.Open,FileAccess.Read)) 216 { 217 byte[] buffer = new byte[2048]; 218 int r = sw.Read(buffer, 0, buffer.Length); 219 list.Add(1); 220 list.AddRange(buffer); 221 222 byte[] newBuffer = list.ToArray(); 223 //发送 224 //dicSocket[cmb_Socket.SelectedItem.ToString()].Send(newBuffer, 0, r+1, SocketFlags.None); 225 btn_SendFile.Invoke(sendCallBack, newBuffer); 226 227 228 } 229 230 } 231 232 private void SendFile(byte[] sendBuffer) 233 { 234 235 try 236 { 237 dicSocket[cmb_Socket.SelectedItem.ToString()].Send(sendBuffer, SocketFlags.None); 238 } 239 catch (Exception ex) 240 { 241 MessageBox.Show("发送文件出错:"+ex.Message); 242 } 243 } 244 245 private void btn_Shock_Click(object sender, EventArgs e) 246 { 247 byte[] buffer = new byte[1] { 2}; 248 dicSocket[cmb_Socket.SelectedItem.ToString()].Send(buffer); 249 } 250 251 /// <summary> 252 /// 停止监听 253 /// </summary> 254 /// <param name="sender"></param> 255 /// <param name="e"></param> 256 private void btn_StopListen_Click(object sender, EventArgs e) 257 { 258 socketWatch.Close(); 259 socketSend.Close(); 260 //终止线程 261 AcceptSocketThread.Abort(); 262 threadReceive.Abort(); 263 } 264 } 265 }
客户端界面
代码实现如下：
1 using System; 2 using System.Collections.Generic; 3 using System.ComponentModel; 4 using System.Data; 5 using System.Drawing; 6 using System.Linq; 7 using System.Text; 8 using System.Threading.Tasks; 9 using System.Windows.Forms; 10 using System.Net.Sockets; 11 using System.Net; 12 using System.Threading; 13 using System.IO; 14 15 namespace SocketClient 16 { 17 public partial class FrmClient : Form 18 { 19 public FrmClient() 20 { 21 InitializeComponent(); 22 } 23 24 //定义回调 25 private delegate void SetTextCallBack(string strValue); 26 //声明 27 private SetTextCallBack setCallBack; 28 29 //定义接收服务端发送消息的回调 30 private delegate void ReceiveMsgCallBack(string strMsg); 31 //声明 32 private ReceiveMsgCallBack receiveCallBack; 33 34 //创建连接的Socket 35 Socket socketSend; 36 //创建接收客户端发送消息的线程 37 Thread threadReceive; 38 39 /// <summary> 40 /// 连接 41 /// </summary> 42 /// <param name="sender"></param> 43 /// <param name="e"></param> 44 private void btn_Connect_Click(object sender, EventArgs e) 45 { 46 try 47 { 48 socketSend = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp); 49 IPAddress ip = IPAddress.Parse(this.txt_IP.Text.Trim()); 50 socketSend.Connect(ip, Convert.ToInt32(this.txt_Port.Text.Trim())); 51 //实例化回调 52 setCallBack = new SetTextCallBack(SetValue); 53 receiveCallBack = new ReceiveMsgCallBack(SetValue); 54 this.txt_Log.Invoke(setCallBack, "连接成功"); 55 56 //开启一个新的线程不停的接收服务器发送消息的线程 57 threadReceive = new Thread(new ThreadStart(Receive)); 58 //设置为后台线程 59 threadReceive.IsBackground = true; 60 threadReceive.Start(); 61 } 62 catch (Exception ex) 63 { 64 MessageBox.Show("连接服务端出错:" + ex.ToString()); 65 } 66 } 67 68 /// <summary> 69 /// 接口服务器发送的消息 70 /// </summary> 71 private void Receive() 72 { 73 try 74 { 75 while (true) 76 { 77 byte[] buffer = new byte[2048]; 78 //实际接收到的字节数 79 int r = socketSend.Receive(buffer); 80 if (r == 0) 81 { 82 break; 83 } 84 else 85 { 86 //判断发送的数据的类型 87 if (buffer[0] == 0)//表示发送的是文字消息 88 { 89 string str = Encoding.Default.GetString(buffer, 1, r - 1); 90 this.txt_Log.Invoke(receiveCallBack, "接收远程服务器:" + socketSend.RemoteEndPoint + "发送的消息:" + str); 91 } 92 //表示发送的是文件 93 if (buffer[0] == 1) 94 { 95 SaveFileDialog sfd = new SaveFileDialog(); 96 sfd.InitialDirectory = @""; 97 sfd.Title = "请选择要保存的文件"; 98 sfd.Filter = "所有文件|*.*"; 99 sfd.ShowDialog(this); 100 101 string strPath = sfd.FileName; 102 using (FileStream fsWrite = new FileStream(strPath, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.Write)) 103 { 104 fsWrite.Write(buffer, 1, r - 1); 105 } 106 107 MessageBox.Show("保存文件成功"); 108 } 109 } 110 111 112 } 113 } 114 catch (Exception ex) 115 { 116 MessageBox.Show("接收服务端发送的消息出错:" + ex.ToString()); 117 } 118 } 119 120 121 private void SetValue(string strValue) 122 { 123 this.txt_Log.AppendText(strValue + "\r \n"); 124 } 125 126 /// <summary> 127 /// 客户端给服务器发送消息 128 /// </summary> 129 /// <param name="sender"></param> 130 /// <param name="e"></param> 131 private void btn_Send_Click(object sender, EventArgs e) 132 { 133 try 134 { 135 string strMsg = this.txt_Msg.Text.Trim(); 136 byte[] buffer = new byte[2048]; 137 buffer = Encoding.Default.GetBytes(strMsg); 138 int receive = socketSend.Send(buffer); 139 } 140 catch (Exception ex) 141 { 142 MessageBox.Show("发送消息出错:" + ex.Message); 143 } 144 } 145 146 private void FrmClient_Load(object sender, EventArgs e) 147 { 148 Control.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false; 149 } 150 151 /// <summary> 152 /// 断开连接 153 /// </summary> 154 /// <param name="sender"></param> 155 /// <param name="e"></param> 156 private void btn_CloseConnect_Click(object sender, EventArgs e) 157 { 158 //关闭socket 159 socketSend.Close(); 160 //终止线程 161 threadReceive.Abort(); 162 } 163 } 164 }
C#网络编程二：Socket编程