C#網路程式設計之Socket程式設計

2022-02-25 10:01:34

一：什麼是SOCKET

socket的英文原義是“孔”或“插座”。作為程序通訊機制，取後一種意思。通常也稱作“通訊端”，用於描述IP地址和埠，是一個通訊鏈的控制程式碼（其實就是兩個程式通訊用的）。
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訊的2個程式，電話號碼就是ip地址。任何使用者在通話之前，首先要佔有一部電話機，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。然後向對方撥號呼叫，相當於發出連線請求。對方假如在場並空閒，拿起電話話筒，雙方就可以正式通話，相當於連線成功。雙方通話的過程，是一方向電話機發出訊號和對方從電話機接收訊號的過程，相當於向socket傳送資料和從socket接收資料。通話結束後，一方掛起電話機相當於關閉socket，復原連線。

通訊端分類

為了滿足不同程式對通訊質量和效能的要求，一般的網路系統都提供了以下3種不同型別的通訊端，以供使用者在設計程式時根據不同需要來選擇：

流式通訊端（SOCK_STREAM）：提供了一種可靠的、面向連線的雙向資料傳輸服務。實現了資料無差錯，無重複的傳送，內設流量控制，被傳輸的資料被看做無記錄邊界的位元組流。在TCP/IP協定簇中，使用TCP實現位元組流的傳輸，當用戶要傳送大批次資料，或對資料傳輸的可靠性有較高要求時使用流式通訊端。

資料包通訊端（SOCK_DGRAM）：提供了一種無連線、不可靠的雙向資料傳輸服務。資料以獨立的包形式被傳送，並且保留了記錄邊界，不提供可靠性保證。資料在傳輸過程中可能會丟失或重複，並且不能保證在接收端資料按傳送順序接收。在TCP/IP協定簇中，使用UDP實現資料包通訊端。

原始通訊端（SOCK_RAW）：該通訊端允許對較低層協定（如IP或ICMP）進行直接存取。一般用於對TCP/IP核心協定的網路程式設計。

二：SOCKET相關概念

1、埠

在Internet上有很多這樣的主機，這些主機一般執行了多個服務軟體，同時提供幾種服務。每種服務都開啟一個Socket，並繫結到一個埠上，不同的埠對應於不同的服務（應用程式），因此，在網路協定中使用埠號識別主機上不同的程序。
例如：http使用80埠，FTP使用21埠。

2、協定

2.1 TCP：

TCP是一種面向連線的、可靠的，基於位元組流的傳輸層通訊協定。為兩臺主機提供高可靠性的資料通訊服務。它可以將源主機的資料無差錯地傳輸到目標主機。當有資料要傳送時，對應用程序送來的資料進行分片，以適合於在網路層中傳輸；當接收到網路層傳來的分組時，它要對收到的分組進行確認，還要對丟失的分組設定超時重發等。為此TCP需要增加額外的許多開銷，以便在資料傳輸過程中進行一些必要的控制，確保資料的可靠傳輸。因此，TCP傳輸的效率比較低。

2.1.1 TCP的工作過程

TCP是面向連線的協定，TCP協定通過三個報文段完成類似電話呼叫的連線建立過程，這個過程稱為三次握手，如圖所示：

第一次握手：建立連線時，使用者端傳送SYN包（SEQ=x）到伺服器，並進入SYN_SEND狀態，等待伺服器確認。

第二次握手：伺服器收到SYN包，必須確認客戶的SYN（ACK=x+1），同時自己也傳送一個SYN包（SEQ=y），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態。

第三次握手：使用者端收到伺服器的SYN+ACK包，向伺服器傳送確認包ACK(ACK=y+1)，此包傳送完畢，使用者端和伺服器進入Established狀態，完成三次握手。

2.1.2 傳輸資料

一旦通訊雙方建立了TCP連線，連線中的任何一方都能向對方傳送資料和接收對方發來的資料。TCP協定負責把使用者資料（位元組流）按一定的格式和長度組成多個資料包進行傳送，並在接收到資料包之後按分解順序重新組裝和恢復使用者資料。
利用TCP傳輸資料時，資料是以位元組流的形式進行傳輸的。

2.1.3 連線的終止

建立一個連線需要三次握手，而終止一個連線要經過四次握手，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) 是面向連線的協定。
(2) 端到端的通訊。每個TCP連線只能有兩個端點，而且只能一對一通訊，不能一點對多點直接通訊。
(3) 高可靠性。通過TCP連線傳送的資料，能保證資料無差錯、不丟失、不重複地準確到達接收方，並且保證各資料到達的順序與其發出的順序相同。
(4) 全雙工方式傳輸。
(5) 資料以位元組流的方式傳輸。
(6) 傳輸的資料無訊息邊界。

2.1.5 同步與非同步

同步工作方式是指利用TCP編寫的程式執行到監聽或接收語句時，在未完成工作（偵聽到連線請求或收到對方發來的資料）前不再繼續往下執行，執行緒處於阻塞狀態，直到該語句完成相應的工作後才繼續執行下一條語句。
非同步工作方式是指程式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、面向資料包的無連線的協定，提供的是不一定可靠的傳輸服務。所謂“無連線”是指在正式通訊前不必與對方先建立連線，不管對方狀態如何都直接傳送過去。這與發手機簡訊非常相似，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麼狀態。UDP雖然不能保證資料傳輸的可靠性，但資料傳輸的效率較高。

2.2.1 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，當資料接收方收到傳送方傳來的資訊時，會自動向傳送方發出確認訊息；傳送方只有在接收到該確認訊息之後才繼續傳送其他資訊，否則將一直等待直到收到確認資訊為止。與TCP不同，UDP並不提供資料傳送的保證機制。如果在從傳送方到接收方的傳遞過程中出現資料包的丟失，協定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定。
(2) UDP不能保證有序傳輸
UDP不能確保資料的傳送和接收順序。對於突發性的資料包，有可能會亂序。

2.2.2 UDP的優勢

(1) UDP速度比TCP快
由於UDP不需要先與對方建立連線，也不需要傳輸確認，因此其資料傳輸速度比TCP快得多。對於強調傳輸效能而不是傳輸完整性的應用（比如網路音訊播放、視訊點播和網路會議等），使用UDP比較合適，因為它的傳輸速度快，使通過網路播放的視訊音質好、畫面清晰。
(2) UDP有訊息邊界
傳送方UDP對應用程式交下來的報文，在新增首部後就向下直接交付給IP層。既不拆分，也不合並，而是保留這些報文的邊界。使用UDP不需要考慮訊息邊界問題，這樣使得UDP程式設計相比TCP，在對接收到的資料的處理方面要方便的多。在程式設計師看來，UDP通訊端使用比TCP簡單。UDP的這一特徵也說明了它是一種面向報文的傳輸協定。
(3) UDP可以一對多傳輸
由於傳輸資料不建立連線，也就不需要維護連線狀態（包括收發狀態等），因此一臺伺服器可以同時向多個使用者端傳輸相同的訊息。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程序傳送訊息，這一點也比TCP方便。
其中，速度快是UDP的首要優勢
由於TCP協定中植入了各種安全保障功能，在實際執行的過程中會佔用大量的系統開銷，無疑使速度受到嚴重影響。反觀UDP，由於拋棄了資訊可靠傳輸機制，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，只為更快地傳送資料”。

三：socket一般應用模式：

四：SOCKET通訊基本流程圖：

根據socket通訊基本流程圖，總結通訊的基本步驟：

伺服器端：

第一步：建立一個用於監聽連線的Socket對像；

第二步：用指定的埠號和伺服器的ip建立一個EndPoint對像；

第三步：用socket對像的Bind()方法系結EndPoint；

第四步：用socket對像的Listen()方法開始監聽；

第五步：接收到使用者端的連線，用socket對像的Accept()方法建立一個新的用於和使用者端進行通訊的socket對像;

第六步：通訊結束後一定記得關閉socket;

使用者端：

第一步：建立一個Socket對像；

第二步：用指定的埠號和伺服器的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對像做為引數，向伺服器發出連線請求；

第四步：如果連線成功，就用socket對像的Send()方法向伺服器傳送資訊；

第五步：用socket對像的Receive()方法接受伺服器發來的資訊 ;

第六步：通訊結束後一定記得關閉socket；

五：範例程式

伺服器端介面：

程式碼實現如下：

 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();
         }
 
         //定義回撥:解決跨執行緒存取問題
         private delegate void SetTextValueCallBack(string strValue);
         //定義接收使用者端傳送訊息的回撥
         private delegate void ReceiveMsgCallBack(string strReceive);
         //宣告回撥
         private SetTextValueCallBack setCallBack;
         //宣告
         private ReceiveMsgCallBack receiveCallBack;
         //定義回撥：給ComboBox控制元件新增元素
         private delegate void SetCmbCallBack(string strItem);
         //宣告
         private SetCmbCallBack setCmbCallBack;
         //定義傳送檔案的回撥
         private delegate void SendFileCallBack(byte[] bf);
         //宣告
         private SendFileCallBack sendCallBack;
 
         //用於通訊的Socket
         Socket socketSend;
         //用於監聽的SOCKET
         Socket socketWatch;
 
         //將遠端連線的使用者端的IP地址和Socket存入集合中
         Dictionary<string, Socket> dicSocket = new Dictionary<string, Socket>();
 
         //建立監聽連線的執行緒
         Thread AcceptSocketThread;
         //接收使用者端傳送訊息的執行緒
         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)
         {
             //當點選開始監聽的時候 在伺服器端建立一個負責監聽IP地址和埠號的Socket
             socketWatch = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
             //獲取ip地址
             IPAddress ip=IPAddress.Parse(this.txt_IP.Text.Trim());
             //建立埠號
             IPEndPoint point=new IPEndPoint(ip,Convert.ToInt32(this.txt_Port.Text.Trim()));
             //繫結IP地址和埠號
             socketWatch.Bind(point);
             this.txt_Log.AppendText("監聽成功"+" r n");
             //開始監聽:設定最大可以同時連線多少個請求
             socketWatch.Listen(10);
 
             //範例化回撥
             setCallBack = new SetTextValueCallBack(SetTextValue);
             receiveCallBack = new ReceiveMsgCallBack(ReceiveMsg);
             setCmbCallBack = new SetCmbCallBack(AddCmbItem);
             sendCallBack = new SendFileCallBack(SendFile);
 
             //建立執行緒
             AcceptSocketThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(StartListen));
             AcceptSocketThread.IsBackground = true;
             AcceptSocketThread.Start(socketWatch);
         }
 
         /// <summary>
         /// 等待使用者端的連線，並且建立與之通訊用的Socket
         /// </summary>
         /// <param name="obj"></param>
         private void StartListen(object obj)
         {
             Socket socketWatch = obj as Socket;
             while (true)
             {               
                 //等待使用者端的連線，並且建立一個用於通訊的Socket
                 socketSend = socketWatch.Accept();
                 //獲取遠端主機的ip地址和埠號
                 string strIp=socketSend.RemoteEndPoint.ToString();
                 dicSocket.Add(strIp, socketSend);
                 this.cmb_Socket.Invoke(setCmbCallBack, strIp);
                 string strMsg = "遠端主機：" + socketSend.RemoteEndPoint + "連線成功";
                 //使用回撥
                 txt_Log.Invoke(setCallBack, strMsg);
 
                 //定義接收使用者端訊息的執行緒
                 Thread threadReceive = new Thread(new ParameterizedThreadStart(Receive));
                 threadReceive.IsBackground = true;
                 threadReceive.Start(socketSend);
 
             }
         }
 
        
 
         /// <summary>
         /// 伺服器端不停的接收使用者端傳送的訊息
         /// </summary>
         /// <param name="obj"></param>
         private void Receive(object obj)
         {
             Socket socketSend = obj as Socket;
             while (true)
             {
                 //使用者端連線成功後，伺服器接收使用者端傳送的訊息
                 byte[] buffer = new byte[2048];
                 //實際接收到的有效位元組數
                 int count = socketSend.Receive(buffer);
                 if (count == 0)//count 表示使用者端關閉，要退出迴圈
                 {
                     break;
                 }
                 else
                 {
                     string str = Encoding.Default.GetString(buffer, 0, count);
                     string strReceiveMsg = "接收：" + socketSend.RemoteEndPoint + "傳送的訊息:" + str;
                     txt_Log.Invoke(receiveCallBack, strReceiveMsg);
                 }
             }
         }
 
         /// <summary>
         /// 回撥委託需要執行的方法
         /// </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>
         /// 伺服器給使用者端傳送訊息
         /// </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);
                 //將泛型集合轉換為陣列
                 byte[] newBuffer = list.ToArray();
                 //獲得使用者選擇的IP地址
                 string ip = this.cmb_Socket.SelectedItem.ToString();
                 dicSocket[ip].Send(newBuffer);
             }
             catch (Exception ex)
             {
                 MessageBox.Show("給使用者端傳送訊息出錯:"+ex.Message);
             }
             //socketSend.Send(buffer);
         }
 
         /// <summary>
         /// 選擇要傳送的檔案
         /// </summary>
         /// <param name="sender"></param>
         /// <param name="e"></param>
         private void btn_Select_Click(object sender, EventArgs e)
         {
             OpenFileDialog dia = new OpenFileDialog();
             //設定初始目錄
             dia.InitialDirectory = @"";
             dia.Title = "請選擇要傳送的檔案";
             //過濾檔案型別
             dia.Filter = "所有檔案|*.*";
             dia.ShowDialog();
             //將選擇的檔案的全路徑賦值給文字方塊
             this.txt_FilePath.Text = dia.FileName;
         }
 
         /// <summary>
         /// 傳送檔案
         /// </summary>
         /// <param name="sender"></param>
         /// <param name="e"></param>
         private void btn_SendFile_Click(object sender, EventArgs e)
         {
             List<byte> list = new List<byte>();
             //獲取要傳送的檔案的路徑
             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();
                 //傳送
                 //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("傳送檔案出錯:"+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();
             //終止執行緒
             AcceptSocketThread.Abort();
             threadReceive.Abort();
         }
     }
 }

使用者端介面

程式碼實現如下：

 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();
         }
 
         //定義回撥
         private delegate void SetTextCallBack(string strValue);
         //宣告
         private SetTextCallBack setCallBack;
 
         //定義接收伺服器端傳送訊息的回撥
         private delegate void ReceiveMsgCallBack(string strMsg);
         //宣告
         private ReceiveMsgCallBack receiveCallBack;
 
         //建立連線的Socket
         Socket socketSend;
         //建立接收使用者端傳送訊息的執行緒
         Thread threadReceive;
 
         /// <summary>
         /// 連線
         /// </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()));
                 //範例化回撥
                 setCallBack = new SetTextCallBack(SetValue);
                 receiveCallBack = new ReceiveMsgCallBack(SetValue);
                 this.txt_Log.Invoke(setCallBack, "連線成功");
 
                 //開啟一個新的執行緒不停的接收伺服器傳送訊息的執行緒
                 threadReceive = new Thread(new ThreadStart(Receive));
                 //設定為後臺執行緒
                 threadReceive.IsBackground = true;
                 threadReceive.Start();
             }
             catch (Exception ex)
             {
                 MessageBox.Show("連線伺服器端出錯:" + ex.ToString());
             }
         }
 
         /// <summary>
         /// 介面伺服器傳送的訊息
         /// </summary>
         private void Receive()
         {
             try
             {
                 while (true)
                 {
                     byte[] buffer = new byte[2048];
                     //實際接收到的位元組數
                     int r = socketSend.Receive(buffer);
                     if (r == 0)
                     {
                         break;
                     }
                     else
                     {
                         //判斷傳送的資料的型別
                         if (buffer[0] == 0)//表示傳送的是文字訊息
                         {
                             string str = Encoding.Default.GetString(buffer, 1, r - 1);
                             this.txt_Log.Invoke(receiveCallBack, "接收遠端伺服器:" + socketSend.RemoteEndPoint + "傳送的訊息:" + str);
                         }
                         //表示傳送的是檔案
                         if (buffer[0] == 1)
                         {
                             SaveFileDialog sfd = new SaveFileDialog();
                             sfd.InitialDirectory = @"";
                             sfd.Title = "請選擇要儲存的檔案";
                             sfd.Filter = "所有檔案|*.*";
                             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("儲存檔案成功");
                         }
                     }
 
 
                 }
             }
             catch (Exception ex)
             {
                 MessageBox.Show("接收伺服器端傳送的訊息出錯:" + ex.ToString());
             }
         }
 
 
         private void SetValue(string strValue)
         {
             this.txt_Log.AppendText(strValue + "r n");
         }
 
         /// <summary>
         /// 使用者端給伺服器傳送訊息
         /// </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("傳送訊息出錯:" + ex.Message);
             }
         }
 
         private void FrmClient_Load(object sender, EventArgs e)
         {
             Control.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
         }
 
         /// <summary>
         /// 斷開連線
         /// </summary>
         /// <param name="sender"></param>
         /// <param name="e"></param>
         private void btn_CloseConnect_Click(object sender, EventArgs e)
         {
             //關閉socket
             socketSend.Close();
             //終止執行緒
             threadReceive.Abort();
         }
     }
 }

到此這篇關於C#網路程式設計之Socket程式設計的文章就介紹到這了。希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支援it145.com。