.NET TCP、UDP、Socket、WebSocket

做.NET应用开发肯定会用到网络通信，而进程间通信是客户端开发使用频率较高的场景。

进程间通信方式主要有命名管道、消息队列、共享内存、Socket通信，个人使用最多的是Sokcet相关。

而Socket也有很多使用方式，Socket、WebSocket、TcpClient、UdpClient，是不是很多？HttpClient与TcpClient、WebSocket之间有什么关系？这里我们分别介绍下这些通信及使用方式

Socket

Socket是传输通信协议么？No，Socket是一种传输层和应用层之间、用于实现网络通信的编程接口。Socket可以使用各种协议如TCP、UDP协议实现进程通信，TCP/UDP才是传输通信协议

Socket位于传输层与应用层之间，接口在System.Net.Sockets命名空间下。下面是Socket以TCP通信的DEMO：

    //创建一个 Socket 实例
    Socket clientSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
    
    //连接到服务器
    clientSocket.Connect(new IPEndPoint(IPAddress.Parse("127.0.0.1"), 8000));
    
    //发送数据
    string message = "Hello, Server!";
    byte[] data = Encoding.ASCII.GetBytes(message);
    clientSocket.Send(data);
    
    //接收数据
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead = clientSocket.Receive(buffer);
    Debug.WriteLine(Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRead));
    
    clientSocket.Close();

TcpClient/UdpClient

TCP/UDP均是位于传输层的通信协议，所以Socket的使用也是位于传输层的通信操作

TCP是面向连接，提供可靠、顺序的数据流传输。用于一对一的通信，即一个TCP连接只能有一个发送方和一个接收方。详细连接方式是，先通过三次握手建立连接、然后传输数据，传输数据完再通过4次挥手关闭连接。所以适用于需要数据完整性和可靠传输的场景

而UDP则是无连接的，不需要建立和维护连接状态，不提供确认机制，也不重传丢失的数据报，但也因此传输实时性高，适合低延时、数据量小、广播场景

基于Socket抽象编程接口，TCP、UDP构建更高级别抽象网络编程TcpClient、UdpClient，它们用于简化TCP网络编程中的常见任务

TcpClient、UdpClient是 .NET 提供的用于方便管理TCP和UDP网络通信的类，下面是对应的Demo

Tcp服务端：

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

class TcpServerExample
{
    public static void Main()
    {
        TcpListener listener = new TcpListener(“127.0.0.1", 8000);
        listener.Start();
        Console.WriteLine("Server is listening on port 8000...");

        TcpClient client = listener.AcceptTcpClient();
        NetworkStream stream = client.GetStream();
        
        byte[] data = new byte[1024];
        int bytesRead = stream.Read(data, 0, data.Length);
        Console.WriteLine("Received: " + Encoding.ASCII.GetString(data, 0, bytesRead));

        byte[] response = Encoding.ASCII.GetBytes("Hello, Client!");
        stream.Write(response, 0, response.Length);

        stream.Close();
        client.Close();
        listener.Stop();
    }
}

TCP客户端：

using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

class TcpClientExample
{
    public static void Main()
    {
        TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 8000);
        NetworkStream stream = client.GetStream();

        byte[] message = Encoding.ASCII.GetBytes("Hello, Server!");
        stream.Write(message, 0, message.Length);

        byte[] data = new byte[1024];
        int bytesRead = stream.Read(data, 0, data.Length);
        Debug.WriteLine("Received: " + Encoding.ASCII.GetString(data, 0, bytesRead));

        stream.Close();
        client.Close();
    }
}

Udp服务端：

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

class UdpServerExample
{
    public static void Main()
    {
        UdpClient udpServer = new UdpClient(8000);
        IPEndPoint remoteEP = new IPEndPoint(”127.0.0.1“, 0);

        Console.WriteLine("Server is listening on port 8000...");

        byte[] data = udpServer.Receive(ref remoteEP);
        Console.WriteLine("Received: " + Encoding.ASCII.GetString(data));

        byte[] response = Encoding.ASCII.GetBytes("Hello, Client!");
        udpServer.Send(response, response.Length, remoteEP);

        udpServer.Close();
    }
}

Udp客户端：

using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

class UdpClientExample
{
    public static void Main()
    {
        UdpClient udpClient = new UdpClient();
        IPEndPoint remoteEP = new IPEndPoint(”127.0.0.1", 8000);

        byte[] message = Encoding.ASCII.GetBytes("Hello, Server!");
        udpClient.Send(message, message.Length, remoteEP);

        byte[] data = udpClient.Receive(ref remoteEP);
        Console.WriteLine("Received: " + Encoding.ASCII.GetString(data));

        udpClient.Close();
    }
}

上面是基本的网络通信DEMO，TcpClient用于基于连接、可靠的TCP通信，适用于需要数据完整性和可靠传输的场景。Udp用于无连接、不保证传输的UDP通信，适用于对实时性要求高、允许少量数据丢失的场景（如视频流）。会议场景下的传屏软件适合用这个协议，传屏发送端固定帧率一直推送，网络丢失几帧问题不大，重要的是延时低了很多。

TcpClient、UdpClient是位于传输层的通信类，分别实现了基于TCP和UDP协议的通信功能。

HttpClient

讲完传输层的网络通信类，就要说下应用层的HttpClient，这是专门用于HTTP协议的通信

Http与TCP/UDP均是网络通信协议，TCP、UDP位于传输层，HTTP传于应用层，而且HTTP是基于TCP面向连接的，它是客户端单向发起的半双工协议。HTTP1.1之后引入持久连接，允许一个TCP连接进行多次请求/响应传输。HTTP层相比TCP它关注请求、响应的内容

HttpClient是Http协议的通信类，提供了封装好的、高级的HTTP功能（如发起GET, POST请求，处理响应等）。

HttpClient可以用于Web接口如Restful API的调用，我这边Windows应用的WebApi基础组件库就是用HttpClient实现的。

HttpClient类，在System.Net.Http.HttpClient命名空间下，HttpClient的内部实现是基于Socket的。也就是说，HttpClient底层使用Socket接口来建立连接并传输数据，但它隐藏了这些细节，为开发者提供了一个更简洁的API。

下面是我基于HttpClient实现的Web服务各类操作入口代码，可以简单浏览下：

        /// <summary>
        /// 请求/推送数据
        /// </summary>
        /// <typeparam name="TResponse"></typeparam>
        /// <param name="request"></param>
        /// <returns></returns>
        public async Task<TResponse> RequestAsync<TResponse>(HttpRequest request) where TResponse : HttpResponse, new()
        {
            var requestUrl = request.GetRequestUrl();
            try
            {
                using var client = CreateHttpClient(request);
                var requestMethod = request.GetRequestMethod();
                switch (requestMethod)
                {
                    case RequestMethod.Get:
                        {
                            using var response = await client.GetAsync(requestUrl);
                            return await response.GetTResponseAsync<TResponse>();
                        }
                    case RequestMethod.Post:
                        {
                            using var httpContent = request.GetHttpContent();
                            using var response = await client.PostAsync(requestUrl, httpContent);
                            return await response.GetTResponseAsync<TResponse>();
                        }
                    case RequestMethod.Put:
                        {
                            using var httpContent = request.GetHttpContent();
                            using var response = await client.PutAsync(requestUrl, httpContent);
                            return await response.GetTResponseAsync<TResponse>();
                        }
                    case RequestMethod.Delete:
                        {
                            using var response = await client.DeleteAsync(requestUrl);
                            return await response.GetTResponseAsync<TResponse>();
                        }
                    case RequestMethod.PostForm:
                        {
                            using var requestMessage = new HttpRequestMessage(HttpMethod.Post, requestUrl);
                            using var httpContent = request.GetHttpContent();
                            requestMessage.Content = httpContent;
                            using var response = await client.SendAsync(requestMessage);
                            return await response.GetTResponseAsync<TResponse>();
                        }
                }
                return new TResponse() { Message = $"不支持的请求类型：{requestMethod}" };
            }
            catch (ArgumentNullException e)
            {
                return new TResponse() { Code = NetErrorCodes.ParameterError, Message = e.Message, JsonData = e.StackTrace };
            }
            catch (TimeoutException e)
            {
                return new TResponse() { Code = NetErrorCodes.TimeOut, Message = e.Message, JsonData = e.StackTrace };
            }
            catch (Exception e)
            {
                return new TResponse() { Message = e.Message, JsonData = e.StackTrace };
            }
        }

HttpClient封装后的网络基础组件调用方式，也比较简单。

添加接口请求说明，参数及请求参数均统一在一个类文件里定义好：

/// <summary>
/// 内网穿透注册接口
/// </summary>
[Request("http://frp.supporter.ws.h3c.com/user/register",RequestMethod.Post)]
[DataContract]
internal class RegisterFrpRequest : HttpRequest
{
    public RegisterFrpRequest(string sn, string appName)
    {
        Sn = sn;
        SeverNames = new List<RequestServiceName>()
        {
            new RequestServiceName(appName,"http")
        };
    }
    [DataMember(Name = "sn")]
    public string Sn { get; set; }

    [DataMember(Name = "localServerNames")]
    public List<RequestServiceName> SeverNames { get; set; }
}

再定义请求结果返回数据，基类HttpResponse内有定义基本参数，状态Success、状态码Code、返回描述信息Message：

[DataContract]
class RegisterFrpResponse : HttpResponse
{

    [DataMember(Name = "correlationId")]
    public string CorrelationId { get; set; }

    [DataMember(Name = "data")]
    public FrpRegisterData Data { get; set; }

    /// <summary>
    /// 是否成功
    /// </summary>
    public bool IsSuccess => Success && Code == 200000 && Data != null;
}

然后，业务层可以进行简洁、高效率的调用：

var netClient = new NetHttpClient();

var response = await netClient.RequestAsync<RegisterFrpResponse>(new RegisterFrpRequest(sn, appName));

如果仅仅只是Data数据，可以只定义数据类型，然后使用泛型HttpResponse作为返回数据。

var response1 = await netClient.RequestAsync<HttpResponse<VersionInfo>>(new AppVersionRequest(appId));

WebSocket

WebSocket也是一个应用层通信，不同于可以实现俩类协议TCP/UDP的Socket，WebSocket是以HTTP/HTTPS连接、以TCP传输数据。

一旦握手成功，客户端和服务器之间可以进行双向数据传输，可以传输字节数据也可以传输文本内容。

• 持久连接：WebSocket 是持久化连接，除非主动关闭，否则在整个会话期间连接保持开放。

• 全双工通信：客户端和服务器可以随时发送数据，通信不再是单向的。使用System.Net.WebSockets.ClientWebSocket类来实现WebSocket通信，通过减少 HTTP 请求/响应的开销、延时较低。

而WebSocket与HttpClient呢，都用于应用层的网络通信，但它们的用途和通信协议是不同的。

• HttpClient使用 HTTP 协议，WebSocket使用WebSocket协议，该协议在初始连接时通过 HTTP/HTTPS握手，然后转换为基于TCP通信的WebSocket协议。所以虽然都有使用HTTP协议，但WebSocket后续就切换至基于TCP的全双工通信了

• HttpClient基于请求/响应模式，每次通信由客户端向服务器发起请求。WebSocket提供全双工通信，客户端和服务器都可以主动发送数据。

• HttpClient主要用于访问 RESTful API、下载文件或者发送HTTP请求。WebSocket主要用于实现低延迟的实时通信，如进程间通信、局域网通信等。

我团队Windows应用所使用的进程间通信，就是基于WebSocketSharp封装的。WebSocketSharp是一个功能全面、易于使用的第三方 WebSocket 库 GitHub - sta/websocket-sharp

至于为啥不直接使用ClientWebSocket。。。是因为当时团队还未切换.NET，使用的是.NETFramework。

后面团队使用的局域网通信基础组件就是用ClientWebSocket了。

下面是我封装的部分WebSocket通信代码，事件发送（广播）、以及监听其它客户端发送过来的事件消息：

    /// <summary>
    /// 发送消息
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TInput">发送参数类型</typeparam>
    /// <param name="client">目标客户端</param>
    /// <param name="innerEvent">事件名</param>
    /// <param name="data">发送参数</param>
    /// <returns></returns>
    public async Task<ClientResponse> SendAsync<TInput>(string client, InnerEventItem innerEvent, TInput data)
    {
        var message = new ChannelSendingMessage(client, new ClientEvent(innerEvent.EventName, innerEvent.EventId, true), _sourceClient);
        message.SetData<TInput>(data);
        return await SendMessageAsync(ChannelMessageType.ClientCommunication, message);
    }

    /// <summary>
    /// 订阅消息
    /// </summary>
    /// <param name="client">目标客户端</param>
    /// <param name="innerEvent">事件名称</param>
    /// <param name="func">委托</param>
    public ClientSubscribedEvent SubscribeFunc(string client, InnerEventItem innerEvent, Func<ClientResponse, object> func)
    {
        var eventName = innerEvent?.EventName;
        if (string.IsNullOrEmpty(eventName) || func == null)
        {
            throw new ArgumentNullException($"{nameof(eventName)}或{nameof(func)}，参数不能为空!");
        }

        var subscribedEvent = new ClientSubscribedEvent(client, innerEvent, func);
        SubscribeEvent(subscribedEvent);
        return subscribedEvent;
    }
    /// <summary>
    /// 订阅消息
    /// </summary>
    /// <param name="client">目标客户端</param>
    /// <param name="innerEvent">事件名称</param>
    /// <param name="func">委托</param>
    public ClientSubscribedEvent SubscribeFuncTask(string client, InnerEventItem innerEvent, Func<ClientResponse, Task<object>> func)
    {
        var eventName = innerEvent?.EventName;
        if (string.IsNullOrEmpty(eventName) || func == null)
        {
            throw new ArgumentNullException($"{nameof(eventName)}或{nameof(func)}，参数不能为空!");
        }

        var subscribedEvent = new ClientSubscribedEvent(client, innerEvent, func);
        SubscribeEvent(subscribedEvent);
        return subscribedEvent;
    }

    /// <summary>
    /// 订阅消息
    /// </summary>
    /// <param name="client">目标客户端</param>
    /// <param name="innerEvent">事件名称</param>
    /// <param name="action">委托</param>
    public ClientSubscribedEvent Subscribe(string client, InnerEventItem innerEvent, Action<ClientResponse> action)
    {
        var eventName = innerEvent?.EventName;
        if (string.IsNullOrEmpty(eventName) || action == null)
        {
            throw new ArgumentNullException($"{nameof(eventName)}或{nameof(action)}，参数不能为空!");
        }

        var subscribedEvent = new ClientSubscribedEvent(client, innerEvent, action);
        SubscribeEvent(subscribedEvent);
        return subscribedEvent;
    }

关键词：TCP/UDP，HTTP，Socket，TcpClient/UdpClient，HttpClient，WebSocket