C#网络编程(基本概念和操作).pdf
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1、C#网络编程引言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
2、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P a r t.11.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
3、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“I t s a f i n e d a y t o d a y 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“h e l l o”。如果进程B 接收到了这个“h e l l。”,就向进程A回复一个“h e l l o ,进程A随后才发送实际的数据 It s a f i n e d a y t o d a y 。关于T
4、 C P 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T C P 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.T C P 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,数据的发送定能够到达,并且是有序的,就是说发的时候你发了 A B C,那么收的一方收到的也一定是A B C,而不会是B C A 或者别的什么。编程中与T C P 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
5、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T C P 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
6、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 0 K 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
7、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.N E T 中,尽管我们可以直接对套接字编程,但是.N E T 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T c p C l i e n t 和 T c p L i s
8、 t e n e r,它与套接字的关系如下:从上面图中可以看出T c p C l i e n t 和 T c p L i s t e n e r 对套接字进行了封装。从中也可以看出,T c p L i s t e n e r 用于接受连接请求,而 T c p C l i e n t 则用于接收和发送流数据.这幅图的意思是T c p L i s t e n e r 持续地保持对端口的侦听,一旦收到一个连接请求后,就可以获得一个T c p C l i e n t 对象,而对于数据的发送和接收都有T c p C l i e n t 去完成。此时,T c p L i s t e n e r 并没有停止
9、工作,它始终持续地保持对端口的侦听状态。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T c p L i s t e n e r 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
10、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
11、广播,所以还很不完善。网络聊天实现模式2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。在某分主机离线时,与登录时的模式类似,服务器会收到通知,然后转告给其
12、他的主机。网络脚人实现模式3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 一主机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
13、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,开始下一阶段一一漫长的编码。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S e r ve r Co n s o l e,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“
14、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S y s t e m.N e t.S o cke t s.T cp L i s t e n e r 类型的实例,然后在该实例上调用S t ar t。方法,从而开启对指定端口的侦听。u s i n g S y s t e m.N e t;/引入这两个命名空间,以下同u s i n g S y s t e m.N e t.S o cke t s;u s i n g.略cl as s S e r ve r s t at i c vo i d M ai n(s t r i n
15、 g 1 ar g s)Co n s o l e.W r i t e L i n e(z,S e r ve r i s r u n n i n g );IP A d d r e s s i p =n e w IP A d d r e s s (n e w b y t e 1 2 7,0,0,1 );T cp L i s t e n e r l i s t e n e r =n e w T cp L i s t e n e r(i p,8 5 0 0);l i s t e n e r.S t ar t ();/开始侦听Co n s o l e.W r i t e L i n e(z,S t ar
16、 t L i s t e n i n gCo n s o l e.W r i t e L i n e(,z n n 输入 Q 键退出。”);Co n s o l e Ke y ke y;d o ke y =Co n s o l e.R e ad Ke y(t r u e).Ke y;w h i l e (ke y !=Co n s o l e Ke y.Q);/获得IP A d d r e s s 对象的另外几种常用方法:IP A d d r e s s i p =IP A d d r e s s.P ar s e(1 2 7.0.0.1 );IP A d d r e s s i p =Dn
17、s.Ge t Ho s t En t r y(l o cal h o s t ).A d d r e s s L i s t 0 ;上面的代码中,我们开启了对8 5 0 0 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“n e t s t at-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8 5 0 0 端口,看到它的状态是L IS T EN IN G,这说明它已经开始了侦听:T CP j i mmy:1 0 3 0 0.0.0.0:0 L IS T EN IN GT CP j i mmy:3 6 0 3 0.0.0.0:0 L IS T EN IN GT
18、CP j i mmy:8 5 0 0 0.0.0.0:0 L IS T EN IN GT CP j i mmy:n e t b i o s-s s n 0.0.0.0:0 L IS T EN IN G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Co n s o l e.R e ad Ke y O ),使得程序不能够因为运行结束而退出。否则就无法使用“n e t s t at -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“n e t s t at-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
19、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T c p C l i e n t 的类型实例完成。每创建一个新的T c p C l i e n t 便相当于创建了一个新的套接字S o c k e t 去与服务端通信,.N e t 会自动为这个套接字分配一个端口号,上面说过,T c p C l i e n t 类不过是对S o c k e t 进行了一个包装。创建T c p C l i e n t 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
20、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C o n n e c t。方法,在 C o n n e c t ()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C o n n e c t ()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b l o c k)。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B e g i n C o n n
21、e c t O 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C l i e n t C o n s o l e,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:c l a s s C l i e n t s t a t i c v o i d M a i n(s t r i n g 1 a r g s)C o n s o l e.W r i t e Li n e(Z/
22、C 1 i e n t R u n n i n g ”);T c p C l i e n t c l i e n t =n e w T c p C l i e n t();t r y (c l i e n t.C o n n e c t (z,l o c a l h o s t/z,8 5 0 0);/与服务器连接 c a t c h (Ex c e p t i o n e x)C o n s o l e.W r i t e Li n e(e x.M e s s a g e);r e t u r n;)/打印连接到的服务端信息C o n s o l e.W r i t e L i n e(,z
23、S e r ve r C o n n e c t e d!0-”,c l i e n t.C l i e n t.L o c a l E n d P o i n t,c l i e n t.C l i e n t.R e m o t e E n d P o i n t);/按 Q 退出上面带代码中,我们通过调用C o n n e c t。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I p 地址和端口号,以及连接到的远程I p 地址和端口号。T c p C l i e n t 的C l i e n t 属性返回了一个 S o c k e t 对象,它的L o c a l E n d
24、P o i n t 和 R e m o t e E n d P o i n t 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:S e r ve r i s r un n i n g .S t a r t L i s t e n i n g/客户端:C l i e n t R un n i n g .S e r ve r C o n n e c t e d!1 2 7.0.0.1:4 7 6 1 一 1 2 7.0.0.1:8 5 00我们看到客户端使用的端口号为4 7 6 1,上面已经说过,这个端口号是由.NE T 随机选取的,并不需要
25、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 n e t s t a t -a”,可以看到下面的输出:T C P j i m m y:8 5 00 0.0.0.0:0 L I S T E NI NGT C P j i m m y:8 5 00 l o c a l h o s t:4 7 6 1 E S T A B L I S H E DT C P j i m m y:4 7 6 1 l o c a l h o s t:8 5 00 E S T A B L I S H E D从这里我们可以得出几个重要信息:1、端口 8 5 00和端口 4 7 6 1 建立了连接,
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