C#网络编程(基本概念和操作) - Part.1
C#网络编程(基本概念和操作) - Part.1
引言
C#网络编程系列文章计划简单地讲述网络编程方面的基础知识，由于本人在这方面功力有限，所以只能提供一些初步的入门知识，希望能对刚开始学习的朋友提供一些帮助。如果想要更加深入的内容，可以参考相关书籍。
本文是该系列第一篇，主要讲述了基于套接字（Socket）进行网络编程的基本概念，其中包括TCP协议、套接字、聊天程序的三种开发模式，以及两个基本操作：侦听端口、连接远程服务端；第二篇讲述了一个简单的范例：从客户端传输字符串到服务端，服务端接收并打印字符串，将字符串改为大写，然后再将字符串回发到客户端，客户端最后打印传回的字符串；第三篇是第二篇的一个强化，讲述了第二篇中没有解决的一个问题，并使用了异步传输的方式来完成和第二篇同样的功能；第四篇则演示了如何在客户端与服务端之间收发文件；第五篇实现了一个能够在线聊天并进行文件传输的聊天程序，实际上是对前面知识的一个综合应用。
与本文相关的还有一篇文章是：C#编写简单的聊天程序，但这个聊天程序不及本系列中的聊天程序功能强大，实现方式也不相同。
网络编程基本概念
1.面向连接的传输协议：TCP
对于TCP协议我不想说太多东西，这属于大学课程，又涉及计算机科学，而我不是“学院派”，对于这部分内容，我觉得作为开发人员，只需要掌握与程序相关的概念就可以了，不需要做太艰深的研究。
我们首先知道TCP是面向连接的，它的意思是说两个远程主机（或者叫进程，因为实际上远程通信是进程之间的通信，而进程则是运行中的程序），必须首先进行一个握手过程，确认连接成功，之后才能传输实际的数据。比如说进程A想将字符串“It's a fine day today”发给进程B，它首先要建立连接。在这一过程中，它首先需要知道进程B的位置（主机地址和端口号）。随后发送一个不包含实际数据的请求报文，我们可以将这个报文称之为“hello”。如果进程B接收到了这个“hello”，就向进程A回复一个“hello”，进程A随后才发送实际的数据“It's a fine day today”。
关于TCP第二个需要了解的，就是它是全双工的。意思是说如果两个主机上的进程（比如进程A、进程B），一旦建立好连接，那么数据就既可以由A流向B，也可以由B流向A。除此以外，它还是点对点的，意思是说一个TCP连接总是两者之间的，在发送中，通过一个连接将数据发给多个接收方是不可能的。TCP还有一个特性，就是称为可靠的数据传输，意思是连接建立后，数据的发送一定能够到达，并且是有序的，就是说发的时候你发了ABC，那么收的一方收到的也一定是ABC，而不会是BCA或者别的什么。
编程中与TCP相关的最重要的一个概念就是套接字。我们应该知道网络七层协议，如果我们将上面的应用程、表示层、会话层笼统地算作一层（有的教材便是如此划分的），那么我们编写的网络应用程序就位于应用层，而大家知道TCP是属于传输层的协议，那么我们在应用层如何使用传输层的服务呢（消息发送或者文件上传下载）？大家知道在应用程序中我们用接口来分离实现，在应用层和传输层之间，则是使用套接字来进行分离。它就像是传输层为应用层开的一个小口，应用程序通过这个小口向远程发送数据，或者接收远程发来的数据；而这个小口以内，也就是数据进入这个口之后，或者数据从这个口出来之前，我们是不知道也不需要知道的，我们也不会关心它如何传输，这属于网络其它层次的工作。
举个例子，如果你想写封邮件发给远方的朋友，那么你如何写信、将信打包，属于应用层，信怎么写，怎么打包完全由我们做主；而当我们将信投入邮筒时，邮筒的那个口就是套接字，在进入套接字之后，就是传输层、网络层等（邮局、公路交管或者航线等）其它层次的工作了。我们从来不会去关心信是如何从西安发往北京的，我们只知道写好了投入邮筒就OK了。可以用下面这两幅图来表示它：
注意在上面图中，两个主机是对等的，但是按照约定，我们将发起请求的一方称为客户端，将另一端称为服务端。可以看出两个程序之间的对话是通过套接字这个出入口来完成的，实际上套接字包含的最重要的也就是两个信息：连接至远程的本地的端口信息(本机地址和端口号)，连接到的远程的端口信息(远程地址和端口号)。注意上面词语的微妙变化，一个是本地地址，一个是远程地址。
这里又出现了了一个名词端口。一般来说我们的计算机上运行着非常多的应用程序，它们可能都需要同远程主机打交道，所以远程主机就需要有一个ID来标识它想与本地机器上的哪个应用程序打交道，这里的ID就是端口。将端口分配给一个应用程序，那么来自这个端口的数据则总是针对这个应用程序的。有这样一个很好的例子：可以将主机地址想象为电话号码，而将端口号想象为分机号。
在.NET中，尽管我们可以直接对套接字编程，但是.NET提供了两个类将对套接字的编程进行了一个封装，使我们的使用能够更加方便，这两个类是TcpClient和TcpListener，它与套接字的关系如下：
从上面图中可以看出TcpClient和TcpListener对套接字进行了封装。从中也可以看出，TcpListener位于接收流的位置，TcpClient位于输出流的位置（实际上TcpListener在收到一个请求后，就创建了TcpClient，而它本身则持续处于侦听状态，收发数据都可以由TcpClient完成。这个图有点不够准确，而我暂时没有想到更好的画法，后面看到代码时会更加清楚一些）。
我们考虑这样一种情况：两台主机，主机A和主机B，起初它们谁也不知道谁在哪儿，当它们想要进行对话时，总是需要有一方发起连接，而另一方则需要对本机的某一端口进行侦听。而在侦听方收到连接请求、并建立起连接以后，它们之间进行收发数据时，发起连接的一方并不需要再进行侦听。因为连接是全双工的，它可以使用现有的连接进行收发数据。而我们前面已经做了定义：将发起连接的一方称为客户端，另一段称为服务端，则现在可以得出：总是服务端在使用TcpListener类，因为它需要建立起一个初始的连接。
2.网络聊天程序的三种模式
实现一个网络聊天程序本应是最后一篇文章的内容，也是本系列最后的一个程序，来作为一个终结。但是我想后面更多的是编码，讲述的内容应该不会太多，所以还是把讲述的东西都放到这里吧。
当采用这种模式时，即是所谓的完全点对点模式，此时每台计算机本身也是服务器，因为它需要进行端口的侦听。实现这个模式的难点是：各个主机（或终端）之间如何知道其它主机的存在？此时通常的做法是当某一主机上线时，使用UDP协议进行一个广播（Broadcast），通过这种方式来“告知”其它主机自己已经在线并说明位置，收到广播的主机发回一个应答，此时主机便知道其他主机的存在。这种方式我个人并不喜欢，但在 C#编写简单的聊天程序 这篇文章中，我使用了这种模式，可惜的是我没有实现广播，所以还很不完善。
第二种方式较好的解决了上面的问题，它引入了服务器，由这个服务器来专门进行广播。服务器持续保持对端口的侦听状态，每当有主机上线时，首先连接至服务器，服务器收到连接后，将该主机的位置（地址和端口号）发往其他在线主机（绿色箭头标识）。这样其他主机便知道该主机已上线，并知道其所在位置，从而可以进行连接和对话。在服务器进行了广播之后，因为各个主机已经知道了其他主机的位置，因此主机之间的对话就不再通过服务器（黑色箭头表示），而是直接进行连接。因此，使用这种模式时，各个主机依然需要保持对端口的侦听。在某台主机离线时，与登录时的模式类似，服务器会收到通知，然后转告给其他的主机。
第三种模式是我觉得最简单也最实用的一种，主机的登录与离线与第二种模式相同。注意到每台主机在上线时首先就与服务器建立了连接，那么从主机A发往主机B发送消息，就可以通过这样一条路径，主机A --> 服务器 --> 主机B，通过这种方式，各个主机不需要在对端口进行侦听，而只需要服务器进行侦听就可以了，大大地简化了开发。
而对于一些较大的文件，比如说图片或者文件，如果想由主机A发往主机B，如果通过服务器进行传输效率会比较低，此时可以临时搭建一个主机A至主机B之间的连接，用于传输大文件。当文件传输结束之后再关闭连接（桔红色箭头标识）。
除此以外，由于消息都经过服务器，所以服务器还可以缓存主机间的对话，即是说当主机A发往主机B时，如果主机B已经离线，则服务器可以对消息进行缓存，当主机B下次连接到服务器时，服务器自动将缓存的消息发给主机B。
本系列文章最后采用的即是此种模式，不过没有实现过多复杂的功能。接下来我们的理论知识告一段落，开始下一阶段――漫长的编码。
基本操作
1.服务端对端口进行侦听
接下来我们开始编写一些实际的代码，第一步就是开启对本地机器上某一端口的侦听。首先创建一个控制台应用程序，将项目名称命名为ServerConsole，它代表我们的服务端。如果想要与外界进行通信，第一件要做的事情就是开启对端口的侦听，这就像为计算机打开了一个“门”，所有向这个“门”发送的请求（“敲门”）都会被系统接收到。在C#中可以通过下面几个步骤完成，首先使用本机Ip地址和端口号创建一个System.Net.Sockets.TcpListener类型的实例，然后在该实例上调用Start()方法，从而开启对指定端口的侦听。
using System.Net; // 引入这两个命名空间，以下同
using System.Net.Sockets;
using ... // 略
class Server {
static void
Console.WriteLine("Server is running ... ");
IPAddress ip = new IPAddress(new byte[] { 127, 0, 0, 1 });
TcpListener listener = new TcpListener(ip, 8500);
listener.Start(); // 开始侦听
Console.WriteLine("Start Listening ...");
Console.WriteLine("\n\n输入\"Q\"键退出。");
ConsoleKey key;
do {
key = Console.ReadKey(true).Key;
} while (key != ConsoleKey.Q);
}
}
// 获得IPAddress对象的另外几种常用方法：
IPAddress ip = IPAddress.Parse("127.0.0.1");
IPAddress ip = Dns.GetHostEntry("localhost").AddressList[0];
上面的代码中，我们开启了对8500端口的侦听。在运行了上面的程序之后，然后打开“命令提示符”，输入“netstat-a”，可以看到计算机器中所有打开的端口的状态。可以从中找到8500端口，看到它的状态是LISTENING，这说明它已经开始了侦听：
TCP jimmy:1030
TCP jimmy:3603
TCP jimmy:8500
TCP jimmy:netbios-ssn
在打开了对端口的侦听以后，服务端必须通过某种方式进行阻塞（比如Console.ReadKey()），使得程序不能够因为运行结束而退出。否则就无法使用“netstat -a”看到端口的连接状态，因为程序已经退出，连接会自然中断，再运行“netstat -a”当然就不会显示端口了。所以程序最后按“Q”退出那段代码是必要的，下面的每段程序都会含有这个代码段，但为了节省空间，我都省略掉了。
2.客户端与服务端连接
2.1单一客户端与服务端连接
当服务器开始对端口侦听之后，便可以创建客户端与它建立连接。这一步是通过在客户端创建一个TcpClient的类型实例完成。每创建一个新的TcpClient便相当于创建了一个新的套接字Socket去与服务端通信，.Net会自动为这个套接字分配一个端口号，上面说过，TcpClient类不过是对Socket进行了一个包装。创建TcpClient类型实例时，可以在构造函数中指定远程服务器的地址和端口号。这样在创建的同时，就会向远程服务端发送一个连接请求（“握手”），一旦成功，则两者间的连接就建立起来了。也可以使用重载的无参数构造函数创建对象，然后再调用Connect()方法，在Connect()方法中传入远程服务器地址和端口号，来与服务器建立连接。
这里需要注意的是，不管是使用有参数的构造函数与服务器连接，或者是通过Connect()方法与服务器建立连接，都是同步方法（或者说是阻塞的，英文叫block）。它的意思是说，客户端在与服务端连接成功、从而方法返回，或者是服务端不存、从而抛出异常之前，是无法继续进行后继操作的。这里还有一个名为BeginConnect()的方法，用于实施异步的连接，这样程序不会被阻塞，可以立即执行后面的操作，这是因为可能由于网络拥塞等问题，连接需要较长时间才能完成。网络编程中有非常多的异步操作，凡事都是由简入难，关于异步操作，我们后面再讨论，现在只看同步操作。
创建一个新的控制台应用程序项目，命名为ClientConsole，它是我们的客户端，然后添加下面的代码，创建与服务器的连接：
class Client {
static void
Console.WriteLine("Client Running ...");
TcpClient client = new TcpClient();
try {
client.Connect("localhost", 8500); // 与服务器连接
} catch (Exception ex) {
Console.WriteLine(ex.Message);
return;
}
// 打印连接到的服务端信息
Console.WriteLine("Server Connected！{0} --> {1}",
client.Client.LocalEndPoint, client.Client.RemoteEndPoint);
// 按Q退出
}
}
上面带代码中，我们通过调用Connect()方法来与服务端连接。随后，我们打印了这个连接消息：本机的Ip地址和端口号，以及连接到的远程Ip地址和端口号。TcpClient的Client属性返回了一个Socket对象，它的LocalEndPoint和RemoteEndPoint属性分别包含了本地和远程的地址信息。先运行服务端，再运行这段代码。可以看到两边的输出情况如下：
// 服务端：
Server is running ...
Start Listening ...
// 客户端：
Client Running ...
Server Connected！127.0.0.1:4761 --> 127.0.0.1:8500
我们看到客户端使用的端口号为4761，上面已经说过，这个端口号是由.NET随机选取的，并不需要我们来设置，并且每次运行时，这个端口号都不同。再次打开“命令提示符”，输入“netstat -a”，可以看到下面的输出：
TCP jimmy:8500
TCP jimmy:8500 localhost:4761 ESTABLISHED
TCP jimmy:4761 localhost:8500 ESTABLISHED
从这里我们可以得出几个重要信息：1、端口8500和端口4761建立了连接，这个4761端口便是客户端用来与服务端进行通信的端口；2、8500端口在与客户端建立起一个连接后，仍然继续保持在监听状态。这也就是说一个端口可以与多个远程端口建立通信，这是显然的，大家众所周之的HTTP使用的默认端口为80，但是一个Web服务器要通过这个端口与多少个浏览器通信啊。
2.2多个客户端与服务端连接
那么既然一个服务器端口可以应对多个客户端连接，那么接下来我们就看一下，如何让多个客户端与服务端连接。如同我们上面所说的，一个TcpClient就是一个Socket，所以我们只要创建多个TcpClient，然后再调用Connect()方法就可以了：
class Client {
static void
Console.WriteLine("Client Running ...");
TcpClient client;
for (int i = 0; i <= 2; i++) {
try {
client = new TcpClient();
client.Connect("localhost", 8500); // 与服务器连接
} catch (Exception ex) {
Console.WriteLine(ex.Message);
return;
}
// 打印连接到的服务端信息
Console.WriteLine("Server Connected！{0} --> {1}",
client.Client.LocalEndPoint, client.Client.RemoteEndPoint);
}
// 按Q退出
}
}
上面代码最重要的就是client = new TcpClient()这句，如果你将这个声明放到循环外面，再循环的第二趟就会发生异常，原因很显然：一个TcpClient对象对应一个Socket，一个Socket对应着一个端口，如果不使用new操作符重新创建对象，那么就相当于使用一个已经与服务端建立了连接的端口再次与远程建立连接。
此时，如果在“命令提示符”运行“netstat -a”，则会看到类似下面的的输出：
TCP jimmy:8500
TCP jimmy:8500 localhost:10282 ESTABLISHED
TCP jimmy:8500 localhost:10283 ESTABLISHED
TCP jimmy:8500 localhost:10284 ESTABLISHED
TCP jimmy:10282 localhost:8500 ESTABLISHED
TCP jimmy:10283 localhost:8500 ESTABLISHED
TCP jimmy:10284 localhost:8500 ESTABLISHED
可以看到创建了三个连接对，并且8500端口持续保持侦听状态，从这里以及上面我们可以推断出TcpListener的Start()方法是一个异步方法。
3.服务端获取客户端连接
3.1获取单一客户端连接
上面服务端、客户端的代码已经建立起了连接，这通过使用“netstat -a”命令，从端口的状态可以看出来，但这是操作系统告诉我们的。那么我们现在需要知道的就是：服务端的程序如何知道已经与一个客户端建立起了连接？
服务器端开始侦听以后，可以在TcpListener实例上调用AcceptTcpClient()来获取与一个客户端的连接，它返回一个TcpClient类型实例。此时它所包装的是由服务端去往客户端的Socket，而我们在客户端创建的TcpClient则是由客户端去往服务端的。这个方法是一个同步方法（或者叫阻断方法，block method），意思就是说，当程序调用它以后，它会一直等待某个客户端连接，然后才会返回，否则就会一直等下去。这样的话，在调用它以后，除非得到一个客户端连接，不然不会执行接下来的代码。一个很好的类比就是Console.ReadLine()方法，它读取输入在控制台中的一行字符串，如果有输入，就继续执行下面代码；如果没有输入，就会一直等待下去。
class Server {
static void
Console.WriteLine("Server is running ... ");
IPAddress ip = new IPAddress(new byte[] { 127, 0, 0, 1 });
TcpListener listener = new TcpListener(ip, 8500);
listener.Start(); // 开始侦听
Console.WriteLine("Start Listening ...");
// 获取一个连接，中断方法
TcpClient remoteClient = listener.AcceptTcpClient();
// 打印连接到的客户端信息
Console.WriteLine("Client Connected！{0} <-- {1}",
remoteClient.Client.LocalEndPoint, remoteClient.Client.RemoteEndPoint);
// 按Q退出
}
}
运行这段代码，会发现服务端运行到listener.AcceptTcpClient()时便停止了，并不会执行下面的Console.WriteLine()方法。为了让它继续执行下去，必须有一个客户端连接到它，所以我们现在运行客户端，与它进行连接。简单起见，我们只在客户端开启一个端口与之连接：
class Client {
static void
Console.WriteLine("Client Running ...");
TcpClient client = new TcpClient();
try {
client.Connect("localhost", 8500); // 与服务器连接
} catch (Exception ex) {
Console.WriteLine(ex.Message);
return;
}
// 打印连接到的服务端信息
Console.WriteLine("Server Connected！{0} --> {1}",
client.Client.LocalEndPoint, client.Client.RemoteEndPoint);
// 按Q退出
}
}
此时，服务端、客户端的输出分别为：
// 服务端
Server is running ...
Start Listening ...
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:5188
// 客户端
Client Running ...
Server Connected！127.0.0.1:5188 --> 127.0.0.1:8500
3.2获取多个客户端连接
现在我们再接着考虑，如果有多个客户端发动对服务器端的连接会怎么样，为了避免你将浏览器向上滚动，来查看上面的代码，我将它拷贝了下来，我们先看下客户端的关键代码：
TcpClient client;
for (int i = 0; i <=2; i++) {
try {
client = new TcpClient();
client.Connect("localhost", 8500); // 与服务器连接
} catch (Exception ex) {
Console.WriteLine(ex.Message);
return;
}
// 打印连接到的服务端信息
Console.WriteLine("Server Connected！{0} --> {1}",
client.Client.LocalEndPoint, client.Client.RemoteEndPoint);
}
如果服务端代码不变，我们先运行服务端，再运行客户端，那么接下来会看到这样的输出：
// 服务端
Server is running ...
Start Listening ...
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:5226
// 客户端
Client Running ...
Server Connected！127.0.0.1:5226 --> 127.0.0.1:8500
Server Connected！127.0.0.1:5227 --> 127.0.0.1:8500
Server Connected！127.0.0.1:5228 --> 127.0.0.1:8500
就又回到了本章第2.2小节“多个客户端与服务端连接”中的处境：尽管有三个客户端连接到了服务端，但是服务端程序只接收到了一个。这是因为服务端只调用了一次listener.AcceptTcpClient()，而它只对应一个连往客户端的Socket。但是操作系统是知道连接已经建立了的，只是我们程序中没有处理到，所以我们当我们输入“netstat -a”时，仍然会看到3对连接都已经建立成功。
为了能够接收到三个客户端的连接，我们只要对服务端稍稍进行一下修改，将AcceptTcpClient方法放入一个do/while循环中就可以了：
Console.WriteLine("Start Listening ...");
while (true) {
// 获取一个连接，同步方法
TcpClient remoteClient = listener.AcceptTcpClient();
// 打印连接到的客户端信息
Console.WriteLine("Client Connected！{0} <-- {1}",
remoteClient.Client.LocalEndPoint, remoteClient.Client.RemoteEndPoint);
}
这样看上去是一个死循环，但是并不会让你的机器系统资源迅速耗尽。因为前面已经说过了，AcceptTcpClient()再没有收到客户端的连接之前，是不会继续执行的，它的大部分时间都在等待。另外，服务端几乎总是要保持在运行状态，所以这样做并无不可，还可以省去“按Q退出”那段代码。此时再运行代码，会看到服务端可以收到3个客户端的连接了。
Server is running ...
Start Listening ...
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:5305
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:5306
Client Connected！127.0.0.1:8500 <-- 127.0.0.1:5307
本篇文章到此就结束了，接下来一篇我们来看看如何在服务端与客户端之间收发数据。
