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：

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();
        }

        //定义回调:解决跨线程访问问题
        private delegate void SetTextValueCallBack(string strValue);
        //定义接收客户端发送消息的回调
        private delegate void ReceiveMsgCallBack(string strReceive);
        //声明回调
        private SetTextValueCallBack setCallBack;
        //声明
        private ReceiveMsgCallBack receiveCallBack;
        //定义回调：给ComboBox控件添加元素
        private delegate void SetCmbCallBack(string strItem);
        //声明
        private SetCmbCallBack setCmbCallBack;
        //定义发送文件的回调
        private delegate void SendFileCallBack(byte[] bf);
        //声明
        private SendFileCallBack sendCallBack;

        //用于通信的Socket
        Socket socketSend;
        //用于监听的SOCKET
        Socket socketWatch;

        //将远程连接的客户端的IP地址和Socket存入集合中
        Dictionary<string, Socket> dicSocket = new Dictionary<string, Socket>();

        //创建监听连接的线程
        Thread AcceptSocketThread;
        //接收客户端发送消息的线程
        Thread threadReceive;

        /// <summary>
        /// 开始监听
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_Start_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //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
            socketWatch = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
            //获取ip地址
            IPAddress ip=IPAddress.Parse(this.txt_IP.Text.Trim());
            //创建端口号
            IPEndPoint point=new IPEndPoint(ip,Convert.ToInt32(this.txt_Port.Text.Trim()));
            //绑定IP地址和端口号
            socketWatch.Bind(point);
            this.txt_Log.AppendText("监听成功"+" \r \n");
            //开始监听:设置最大可以同时连接多少个请求
            socketWatch.Listen(10);

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

            //创建线程
            AcceptSocketThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(StartListen));
            AcceptSocketThread.IsBackground = true;
            AcceptSocketThread.Start(socketWatch);
        }

        /// <summary>
        /// 等待客户端的连接，并且创建与之通信用的Socket
        /// </summary>
        /// <param name="obj"></param>
        private void StartListen(object obj)
        {
            Socket socketWatch = obj as Socket;
            while (true)
            {               
                //等待客户端的连接，并且创建一个用于通信的Socket
                socketSend = socketWatch.Accept();
                //获取远程主机的ip地址和端口号
                string strIp=socketSend.RemoteEndPoint.ToString();
                dicSocket.Add(strIp, socketSend);
                this.cmb_Socket.Invoke(setCmbCallBack, strIp);
                string strMsg = "远程主机：" + socketSend.RemoteEndPoint + "连接成功";
                //使用回调
                txt_Log.Invoke(setCallBack, strMsg);

                //定义接收客户端消息的线程
                Thread threadReceive = new Thread(new ParameterizedThreadStart(Receive));
                threadReceive.IsBackground = true;
                threadReceive.Start(socketSend);

            }
        }

       

        /// <summary>
        /// 服务器端不停的接收客户端发送的消息
        /// </summary>
        /// <param name="obj"></param>
        private void Receive(object obj)
        {
            Socket socketSend = obj as Socket;
            while (true)
            {
                //客户端连接成功后，服务器接收客户端发送的消息
                byte[] buffer = new byte[2048];
                //实际接收到的有效字节数
                int count = socketSend.Receive(buffer);
                if (count == 0)//count 表示客户端关闭，要退出循环
                {
                    break;
                }
                else
                {
                    string str = Encoding.Default.GetString(buffer, 0, count);
                    string strReceiveMsg = "接收：" + socketSend.RemoteEndPoint + "发送的消息:" + str;
                    txt_Log.Invoke(receiveCallBack, strReceiveMsg);
                }
            }
        }

        /// <summary>
        /// 回调委托需要执行的方法
        /// </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>
        /// 服务器给客户端发送消息
        /// </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);
                //将泛型集合转换为数组
                byte[] newBuffer = list.ToArray();
                //获得用户选择的IP地址
                string ip = this.cmb_Socket.SelectedItem.ToString();
                dicSocket[ip].Send(newBuffer);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show("给客户端发送消息出错:"+ex.Message);
            }
            //socketSend.Send(buffer);
        }

        /// <summary>
        /// 选择要发送的文件
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_Select_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            OpenFileDialog dia = new OpenFileDialog();
            //设置初始目录
            dia.InitialDirectory = @"";
            dia.Title = "请选择要发送的文件";
            //过滤文件类型
            dia.Filter = "所有文件|*.*";
            dia.ShowDialog();
            //将选择的文件的全路径赋值给文本框
            this.txt_FilePath.Text = dia.FileName;
        }

        /// <summary>
        /// 发送文件
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_SendFile_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            List<byte> list = new List<byte>();
            //获取要发送的文件的路径
            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();
                //发送
                //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("发送文件出错:"+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>
        /// 停止监听
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_StopListen_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            socketWatch.Close();
            socketSend.Close();
            //终止线程
            AcceptSocketThread.Abort();
            threadReceive.Abort();
        }
    }
}

客户端界面

代码实现如下：

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();
        }

        //定义回调
        private delegate void SetTextCallBack(string strValue);
        //声明
        private SetTextCallBack setCallBack;

        //定义接收服务端发送消息的回调
        private delegate void ReceiveMsgCallBack(string strMsg);
        //声明
        private ReceiveMsgCallBack receiveCallBack;

        //创建连接的Socket
        Socket socketSend;
        //创建接收客户端发送消息的线程
        Thread threadReceive;

        /// <summary>
        /// 连接
        /// </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()));
                //实例化回调
                setCallBack = new SetTextCallBack(SetValue);
                receiveCallBack = new ReceiveMsgCallBack(SetValue);
                this.txt_Log.Invoke(setCallBack, "连接成功");

                //开启一个新的线程不停的接收服务器发送消息的线程
                threadReceive = new Thread(new ThreadStart(Receive));
                //设置为后台线程
                threadReceive.IsBackground = true;
                threadReceive.Start();
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show("连接服务端出错:" + ex.ToString());
            }
        }

        /// <summary>
        /// 接口服务器发送的消息
        /// </summary>
        private void Receive()
        {
            try
            {
                while (true)
                {
                    byte[] buffer = new byte[2048];
                    //实际接收到的字节数
                    int r = socketSend.Receive(buffer);
                    if (r == 0)
                    {
                        break;
                    }
                    else
                    {
                        //判断发送的数据的类型
                        if (buffer[0] == 0)//表示发送的是文字消息
                        {
                            string str = Encoding.Default.GetString(buffer, 1, r - 1);
                            this.txt_Log.Invoke(receiveCallBack, "接收远程服务器:" + socketSend.RemoteEndPoint + "发送的消息:" + str);
                        }
                        //表示发送的是文件
                        if (buffer[0] == 1)
                        {
                            SaveFileDialog sfd = new SaveFileDialog();
                            sfd.InitialDirectory = @"";
                            sfd.Title = "请选择要保存的文件";
                            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("接收服务端发送的消息出错:" + ex.ToString());
            }
        }


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

        /// <summary>
        /// 客户端给服务器发送消息
        /// </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("发送消息出错:" + ex.Message);
            }
        }

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

        /// <summary>
        /// 断开连接
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void btn_CloseConnect_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //关闭socket
            socketSend.Close();
            //终止线程
            threadReceive.Abort();
        }
    }
}