C#網絡編程二：Socket編程

一：什么是SOCKET

socket的英文原義是“孔”或“插座”。作為進程通信機制，取后一種意思。通常也稱作“套接字”，用於描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄（其實就是兩個程序通信用的）。
socket非常類似於電話插座。以一個電話網為例：電話的通話雙方相當於相互通信的2個程序，電話號碼就是ip地址。任何用戶在通話之前，首先要占有一部電話機，相當於申請一個socket；同時要知道對方的號碼，相當於對方有一個固定的socket。然后向對方撥號呼叫，相當於發出連接請求。對方假如在場並空閑，拿起電話話筒，雙方就可以正式通話，相當於連接成功。雙方通話的過程，是一方向電話機發出信號和對方從電話機接收信號的過程，相當於向socket發送數據和從socket接收數據。通話結束后，一方掛起電話機相當於關閉socket，撤銷連接。

1、套接字分類

為了滿足不同程序對通信質量和性能的要求，一般的網絡系統都提供了以下3種不同類型的套接字，以供用戶在設計程序時根據不同需要來選擇：

流式套接字（SOCK_STREAM）：提供了一種可靠的、面向連接的雙向數據傳輸服務。實現了數據無差錯，無重復的發送，內設流量控制，被傳輸的數據被看做無記錄邊界的字節流。在TCP/IP協議簇中，使用TCP實現字節流的傳輸，當用戶要發送大批量數據，或對數據傳輸的可靠性有較高要求時使用流式套接字。

數據報套接字（SOCK_DGRAM）：提供了一種無連接、不可靠的雙向數據傳輸服務。數據以獨立的包形式被發送，並且保留了記錄邊界，不提供可靠性保證。數據在傳輸過程中可能會丟失或重復，並且不能保證在接收端數據按發送順序接收。在TCP/IP協議簇中，使用UDP實現數據報套接字。

原始套接字（SOCK_RAW）：該套接字允許對較低層協議（如IP或ICMP）進行直接訪問。一般用於對TCP/IP核心協議的網絡編程。

二：SOCKET相關概念

1、端口

在Internet上有很多這樣的主機，這些主機一般運行了多個服務軟件，同時提供幾種服務。每種服務都打開一個Socket，並綁定到一個端口上，不同的端口對應於不同的服務（應用程序），因此，在網絡協議中使用端口號識別主機上不同的進程。
例如：http使用80端口，FTP使用21端口。

2、協議

2.1 TCP：

TCP是一種面向連接的、可靠的，基於字節流的傳輸層通信協議。為兩台主機提供高可靠性的數據通信服務。它可以將源主機的數據無差錯地傳輸到目標主機。當有數據要發送時，對應用進程送來的數據進行分片，以適合於在網絡層中傳輸；當接收到網絡層傳來的分組時，它要對收到的分組進行確認，還要對丟失的分組設置超時重發等。為此TCP需要增加額外的許多開銷，以便在數據傳輸過程中進行一些必要的控制，確保數據的可靠傳輸。因此，TCP傳輸的效率比較低。

2.1.1 TCP的工作過程

TCP是面向連接的協議，TCP協議通過三個報文段完成類似電話呼叫的連接建立過程，這個過程稱為三次握手，如圖所示：

第一次握手：建立連接時，客戶端發送SYN包（SEQ=x）到服務器，並進入SYN_SEND狀態，等待服務器確認。

第二次握手：服務器收到SYN包，必須確認客戶的SYN（ACK=x+1），同時自己也發送一個SYN包（SEQ=y），即SYN+ACK包，此時服務器進入SYN_RECV狀態。

第三次握手：客戶端收到服務器的SYN+ACK包，向服務器發送確認包ACK(ACK=y+1)，此包發送完畢，客戶端和服務器進入Established狀態，完成三次握手。

2.1.2 傳輸數據

一旦通信雙方建立了TCP連接，連接中的任何一方都能向對方發送數據和接收對方發來的數據。TCP協議負責把用戶數據（字節流）按一定的格式和長度組成多個數據報進行發送，並在接收到數據報之后按分解順序重新組裝和恢復用戶數據。
利用TCP傳輸數據時，數據是以字節流的形式進行傳輸的。

2.1.3 連接的終止

建立一個連接需要三次握手，而終止一個連接要經過四次握手，這是由TCP的半關閉（half-close）造成的。具體過程如圖所示：

2.1.4 TCP的主要特點

TCP最主要的特點如下。
(1) 是面向連接的協議。
(2) 端到端的通信。每個TCP連接只能有兩個端點，而且只能一對一通信，不能一點對多點直接通信。
(3) 高可靠性。通過TCP連接傳送的數據，能保證數據無差錯、不丟失、不重復地准確到達接收方，並且保證各數據到達的順序與其發出的順序相同。
(4) 全雙工方式傳輸。
(5) 數據以字節流的方式傳輸。
(6) 傳輸的數據無消息邊界。

2.1.5 同步與異步

同步工作方式是指利用TCP編寫的程序執行到監聽或接收語句時，在未完成工作（偵聽到連接請求或收到對方發來的數據）前不再繼續往下執行，線程處於阻塞狀態，直到該語句完成相應的工作后才繼續執行下一條語句。
異步工作方式是指程序執行到監聽或接收語句時，不論工作是否完成，都會繼續往下執行。

 

2.2 UDP

UDP是一種簡單的、面向數據報的無連接的協議，提供的是不一定可靠的傳輸服務。所謂“無連接”是指在正式通信前不必與對方先建立連接，不管對方狀態如何都直接發送過去。這與發手機短信非常相似，只要知道對方的手機號就可以了，不要考慮對方手機處於什么狀態。UDP雖然不能保證數據傳輸的可靠性，但數據傳輸的效率較高。

2.1.1 UDP與TCP的區別
(1) UDP可靠性不如TCP
TCP包含了專門的傳遞保證機制，當數據接收方收到發送方傳來的信息時，會自動向發送方發出確認消息；發送方只有在接收到該確認消息之后才繼續傳送其他信息，否則將一直等待直到收到確認信息為止。與TCP不同，UDP並不提供數據傳送的保證機制。如果在從發送方到接收方的傳遞過程中出現數據報的丟失，協議本身並不能做出任何檢測或提示。因此，通常人們把UDP稱為不可靠的傳輸協議。
(2) UDP不能保證有序傳輸
UDP不能確保數據的發送和接收順序。對於突發性的數據報，有可能會亂序。

2.1.2 UDP的優勢

(1) UDP速度比TCP快
由於UDP不需要先與對方建立連接，也不需要傳輸確認，因此其數據傳輸速度比TCP快得多。對於強調傳輸性能而不是傳輸完整性的應用（比如網絡音頻播放、視頻點播和網絡會議等），使用UDP比較合適，因為它的傳輸速度快，使通過網絡播放的視頻音質好、畫面清晰。
(2) UDP有消息邊界
發送方UDP對應用程序交下來的報文，在添加首部后就向下直接交付給IP層。既不拆分，也不合並，而是保留這些報文的邊界。使用UDP不需要考慮消息邊界問題，這樣使得UDP編程相比TCP，在對接收到的數據的處理方面要方便的多。在程序員看來，UDP套接字使用比TCP簡單。UDP的這一特征也說明了它是一種面向報文的傳輸協議。
(3) UDP可以一對多傳輸
由於傳輸數據不建立連接，也就不需要維護連接狀態（包括收發狀態等），因此一台服務器可以同時向多個客戶端傳輸相同的消息。利用UDP可以使用廣播或組播的方式同時向子網上的所有客戶進程發送消息，這一點也比TCP方便。
其中，速度快是UDP的首要優勢
由於TCP協議中植入了各種安全保障功能，在實際執行的過程中會占用大量的系統開銷，無疑使速度受到嚴重影響。反觀UDP，由於拋棄了信息可靠傳輸機制，將安全和排序等功能移交給上層應用完成，極大地降低了執行時間，使速度得到了保證。簡而言之，UDP的“理念”就是“不顧一切，只為更快地發送數據”。

三：socket一般應用模式：

 

 

四：SOCKET通信基本流程圖：

根據socket通信基本流程圖，總結通信的基本步驟：

服務器端：

第一步：創建一個用於監聽連接的Socket對像；

第二步：用指定的端口號和服務器的ip建立一個EndPoint對像；

第三步：用socket對像的Bind()方法綁定EndPoint；

第四步：用socket對像的Listen()方法開始監聽；

第五步：接收到客戶端的連接，用socket對像的Accept()方法創建一個新的用於和客戶端進行通信的socket對像;

第六步：通信結束后一定記得關閉socket;

客戶端：

第一步：建立一個Socket對像；

第二步：用指定的端口號和服務器的ip建立一個EndPoint對像；

第三步：用socket對像的Connect()方法以上面建立的EndPoint對像做為參數，向服務器發出連接請求；

第四步：如果連接成功，就用socket對像的Send()方法向服務器發送信息；

第五步：用socket對像的Receive()方法接受服務器發來的信息 ;

第六步：通信結束后一定記得關閉socket；

五：示例程序

服務端界面：

代碼實現如下：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
using System.Threading;
using System.IO;

namespace SocketServer
{
    public partial class FrmServer : Form
    {
        public FrmServer()
        {
            InitializeComponent();
        }

        //定義回調:解決跨線程訪問問題
        private delegate void SetTextValueCallBack(string strValue);
        //定義接收客戶端發送消息的回調
        private delegate void ReceiveMsgCallBack(string strReceive);
        //聲明回調
        private SetTextValueCallBack setCallBack;
        //聲明
        private ReceiveMsgCallBack receiveCallBack;
        //定義回調：給ComboBox控件添加元素
        private delegate void SetCmbCallBack(string strItem);
        //聲明
        private SetCmbCallBack setCmbCallBack;
        //定義發送文件的回調
        private delegate void SendFileCallBack(byte[] bf);
        //聲明
        private SendFileCallBack sendCallBack;

        //用於通信的Socket
        Socket socketSend;
        //用於監聽的SOCKET
        Socket socketWatch;

        //將遠程連接的客戶端的IP地址和Socket存入集合中
        Dictionary<string, Socket> dicSocket = new Dictionary<string, Socket>();

        //創建監聽連接的線程
        Thread AcceptSocketThread;
        //接收客戶端發送消息的線程
        Thread threadReceive;

        /// <summary>
        /// 開始監聽
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_Start_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //當點擊開始監聽的時候 在服務器端創建一個負責監聽IP地址和端口號的Socket
            socketWatch = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
            //獲取ip地址
            IPAddress ip=IPAddress.Parse(this.txt_IP.Text.Trim());
            //創建端口號
            IPEndPoint point=new IPEndPoint(ip,Convert.ToInt32(this.txt_Port.Text.Trim()));
            //綁定IP地址和端口號
            socketWatch.Bind(point);
            this.txt_Log.AppendText("監聽成功"+" \r \n");
            //開始監聽:設置最大可以同時連接多少個請求
            socketWatch.Listen(10);

            //實例化回調
            setCallBack = new SetTextValueCallBack(SetTextValue);
            receiveCallBack = new ReceiveMsgCallBack(ReceiveMsg);
            setCmbCallBack = new SetCmbCallBack(AddCmbItem);
            sendCallBack = new SendFileCallBack(SendFile);

            //創建線程
            AcceptSocketThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(StartListen));
            AcceptSocketThread.IsBackground = true;
            AcceptSocketThread.Start(socketWatch);
        }

        /// <summary>
        /// 等待客戶端的連接，並且創建與之通信用的Socket
        /// </summary>
        /// <param name="obj"></param>
        private void StartListen(object obj)
        {
            Socket socketWatch = obj as Socket;
            while (true)
            {               
                //等待客戶端的連接，並且創建一個用於通信的Socket
                socketSend = socketWatch.Accept();
                //獲取遠程主機的ip地址和端口號
                string strIp=socketSend.RemoteEndPoint.ToString();
                dicSocket.Add(strIp, socketSend);
                this.cmb_Socket.Invoke(setCmbCallBack, strIp);
                string strMsg = "遠程主機：" + socketSend.RemoteEndPoint + "連接成功";
                //使用回調
                txt_Log.Invoke(setCallBack, strMsg);

                //定義接收客戶端消息的線程
                Thread threadReceive = new Thread(new ParameterizedThreadStart(Receive));
                threadReceive.IsBackground = true;
                threadReceive.Start(socketSend);

            }
        }

       

        /// <summary>
        /// 服務器端不停的接收客戶端發送的消息
        /// </summary>
        /// <param name="obj"></param>
        private void Receive(object obj)
        {
            Socket socketSend = obj as Socket;
            while (true)
            {
                //客戶端連接成功后，服務器接收客戶端發送的消息
                byte[] buffer = new byte[2048];
                //實際接收到的有效字節數
                int count = socketSend.Receive(buffer);
                if (count == 0)//count 表示客戶端關閉，要退出循環
                {
                    break;
                }
                else
                {
                    string str = Encoding.Default.GetString(buffer, 0, count);
                    string strReceiveMsg = "接收：" + socketSend.RemoteEndPoint + "發送的消息:" + str;
                    txt_Log.Invoke(receiveCallBack, strReceiveMsg);
                }
            }
        }

        /// <summary>
        /// 回調委托需要執行的方法
        /// </summary>
        /// <param name="strValue"></param>
        private void SetTextValue(string strValue)
        {
            this.txt_Log.AppendText(strValue + " \r \n");
        }


        private void ReceiveMsg(string strMsg)
        {
            this.txt_Log.AppendText(strMsg + " \r \n");
        }

        private void AddCmbItem(string strItem)
        {
            this.cmb_Socket.Items.Add(strItem);
        }

        /// <summary>
        /// 服務器給客戶端發送消息
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_Send_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            try
            {
                string strMsg = this.txt_Msg.Text.Trim();
                byte[] buffer = Encoding.Default.GetBytes(strMsg);
                List<byte> list = new List<byte>();
                list.Add(0);
                list.AddRange(buffer);
                //將泛型集合轉換為數組
                byte[] newBuffer = list.ToArray();
                //獲得用戶選擇的IP地址
                string ip = this.cmb_Socket.SelectedItem.ToString();
                dicSocket[ip].Send(newBuffer);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show("給客戶端發送消息出錯:"+ex.Message);
            }
            //socketSend.Send(buffer);
        }

        /// <summary>
        /// 選擇要發送的文件
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_Select_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            OpenFileDialog dia = new OpenFileDialog();
            //設置初始目錄
            dia.InitialDirectory = @"";
            dia.Title = "請選擇要發送的文件";
            //過濾文件類型
            dia.Filter = "所有文件|*.*";
            dia.ShowDialog();
            //將選擇的文件的全路徑賦值給文本框
            this.txt_FilePath.Text = dia.FileName;
        }

        /// <summary>
        /// 發送文件
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_SendFile_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            List<byte> list = new List<byte>();
            //獲取要發送的文件的路徑
            string strPath = this.txt_FilePath.Text.Trim();
            using (FileStream sw = new FileStream(strPath,FileMode.Open,FileAccess.Read))
            {
                byte[] buffer = new byte[2048];
                int r = sw.Read(buffer, 0, buffer.Length);
                list.Add(1);
                list.AddRange(buffer);

                byte[] newBuffer = list.ToArray();
                //發送
                //dicSocket[cmb_Socket.SelectedItem.ToString()].Send(newBuffer, 0, r+1, SocketFlags.None);
                btn_SendFile.Invoke(sendCallBack, newBuffer);

                
            }
            
        }

        private void SendFile(byte[] sendBuffer)
        {

            try
            {
                dicSocket[cmb_Socket.SelectedItem.ToString()].Send(sendBuffer, SocketFlags.None);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show("發送文件出錯:"+ex.Message);
            }
        }

        private void btn_Shock_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            byte[] buffer = new byte[1] { 2};
            dicSocket[cmb_Socket.SelectedItem.ToString()].Send(buffer);
        }

        /// <summary>
        /// 停止監聽
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_StopListen_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            socketWatch.Close();
            socketSend.Close();
            //終止線程
            AcceptSocketThread.Abort();
            threadReceive.Abort();
        }
    }
}

客戶端界面

代碼實現如下：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
using System.Net.Sockets;
using System.Net;
using System.Threading;
using System.IO;

namespace SocketClient
{
    public partial class FrmClient : Form
    {
        public FrmClient()
        {
            InitializeComponent();
        }

        //定義回調
        private delegate void SetTextCallBack(string strValue);
        //聲明
        private SetTextCallBack setCallBack;

        //定義接收服務端發送消息的回調
        private delegate void ReceiveMsgCallBack(string strMsg);
        //聲明
        private ReceiveMsgCallBack receiveCallBack;

        //創建連接的Socket
        Socket socketSend;
        //創建接收客戶端發送消息的線程
        Thread threadReceive;

        /// <summary>
        /// 連接
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_Connect_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            try
            {
                socketSend = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                IPAddress ip = IPAddress.Parse(this.txt_IP.Text.Trim());
                socketSend.Connect(ip, Convert.ToInt32(this.txt_Port.Text.Trim()));
                //實例化回調
                setCallBack = new SetTextCallBack(SetValue);
                receiveCallBack = new ReceiveMsgCallBack(SetValue);
                this.txt_Log.Invoke(setCallBack, "連接成功");

                //開啟一個新的線程不停的接收服務器發送消息的線程
                threadReceive = new Thread(new ThreadStart(Receive));
                //設置為后台線程
                threadReceive.IsBackground = true;
                threadReceive.Start();
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show("連接服務端出錯:" + ex.ToString());
            }
        }

        /// <summary>
        /// 接口服務器發送的消息
        /// </summary>
        private void Receive()
        {
            try
            {
                while (true)
                {
                    byte[] buffer = new byte[2048];
                    //實際接收到的字節數
                    int r = socketSend.Receive(buffer);
                    if (r == 0)
                    {
                        break;
                    }
                    else
                    {
                        //判斷發送的數據的類型
                        if (buffer[0] == 0)//表示發送的是文字消息
                        {
                            string str = Encoding.Default.GetString(buffer, 1, r - 1);
                            this.txt_Log.Invoke(receiveCallBack, "接收遠程服務器:" + socketSend.RemoteEndPoint + "發送的消息:" + str);
                        }
                        //表示發送的是文件
                        if (buffer[0] == 1)
                        {
                            SaveFileDialog sfd = new SaveFileDialog();
                            sfd.InitialDirectory = @"";
                            sfd.Title = "請選擇要保存的文件";
                            sfd.Filter = "所有文件|*.*";
                            sfd.ShowDialog(this);

                            string strPath = sfd.FileName;
                            using (FileStream fsWrite = new FileStream(strPath, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.Write))
                            {
                                fsWrite.Write(buffer, 1, r - 1);
                            }

                            MessageBox.Show("保存文件成功");
                        }
                    }


                }
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show("接收服務端發送的消息出錯:" + ex.ToString());
            }
        }


        private void SetValue(string strValue)
        {
            this.txt_Log.AppendText(strValue + "\r \n");
        }

        /// <summary>
        /// 客戶端給服務器發送消息
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_Send_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            try
            {
                string strMsg = this.txt_Msg.Text.Trim();
                byte[] buffer = new byte[2048];
                buffer = Encoding.Default.GetBytes(strMsg);
                int receive = socketSend.Send(buffer);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show("發送消息出錯:" + ex.Message);
            }
        }

        private void FrmClient_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            Control.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
        }

        /// <summary>
        /// 斷開連接
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_CloseConnect_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //關閉socket
            socketSend.Close();
            //終止線程
            threadReceive.Abort();
        }
    }
}