C#开发之Socket网络编程TCP/IP层次模型、端口及报文等探讨

简介

本文主要介绍使用C#进行Socket网络编程时，涉及到的TCP/IP协议中的各个层次模型、端口以及报文等内容，并提供两个基本示例进行说明。

TCP/IP协议层次模型

TCP/IP协议是网络通信的基础，它将网络通信分为许多层，每一层负责不同的任务。这些层从下往上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。

下面是这些层级及其任务的简单描述：

• 物理层：定义网络的物理布局以及底层数据传输，如电流、电压等。

• 数据链路层：负责在物理层上，根据MAC地址，完成节点之间的通信；将从网络层接收到的IP数据报组成帧，在物理层上传输。

• 网络层：为数据通信提供路由、寻址、分包等服务，负责网间的数据传输，通过IP地址来唯一标识不同的设备。

• 传输层：为上层协议提供可靠的端到端通信，并提供差错检测和重传等机制，常用的协议有TCP和UDP。

• 应用层：我们编写的程序所用的协议，如HTTP、FTP、SMTP等。

Socket端口

在TCP/IP协议中，每个设备都有一个IP地址，但这个地址只是标识了设备，而没有标识一个应用程序。为了实现设备与设备之间的通信，需要一个能够分辨应用程序的标识，这个标识就是端口。

端口是一个16位的整数，范围从0到65535，其中0到1023是被保留的，一般作为著名的端口使用，如HTTP协议的80端口、FTP协议的21端口等；1024到65535是动态端口，由操作系统分配给应用程序使用。

Socket报文

Socket报文是进行网络通信时所传输的数据单元，可以理解为一段二进制数据流。在TCP/IP协议中，Socket报文主要有三部分组成：

• IP头部：包含了发送方和接收方的IP地址，IP协议版本，以及一些与IP协议相关的控制字段。

• TCP头部：包含了TCP协议的各种控制字段，如端口号、序列号和确认号等。

• 数据段：将应用程序的数据流发送给TCP层，并分段传输。

示例一：Socket服务端及其客户端

下面是一个简单的Socket服务端和客户端程序实例，适用于 TCP/IP 协议：

1. 服务端：

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

class Program  
{  
    static void Main(string[] args)  
    {  
      try  
      {  
            IPAddress ipAd = IPAddress.Parse("127.0.0.1");  
            TcpListener myList=new TcpListener(ipAd, 8001);  

            myList.Start();  
            Console.WriteLine("等待客户端连接......");  

            while(true)  
            {  
                TcpClient client = myList.AcceptTcpClient();  
                Console.WriteLine("客户端已连接...");  

                NetworkStream netStream = client.GetStream();  
                byte[] bytes = new byte[1024];  
                int i = netStream.Read(bytes, 0, bytes.Length);  
                string data = Encoding.ASCII.GetString(bytes, 0, i);  
                Console.WriteLine("收到客户端消息: {0}", data);  

                string response = "谢谢连接我们，再见！";  
                byte[] message = Encoding.ASCII.GetBytes(response);  
                netStream.Write(message, 0, message.Length);  
                client.Close();  
            }  
            myList.Stop();  
        }  
        catch (Exception e)  
        {  
            Console.WriteLine("出现异常: {0}", e.ToString());  
        }  
   }
}  

1. 客户端：

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

class Program  
{  
    static void Main(string[] args)  
    {  
        try  
        {  
            TcpClient tcpclnt = new TcpClient();  
            Console.WriteLine("向服务端发送连接请求......");  
            tcpclnt.Connect("127.0.0.1", 8001);  

            byte[] bytes = Encoding.ASCII.GetBytes("客户端发送的数据......");  
            NetworkStream stream = tcpclnt.GetStream();  
            stream.Write(bytes, 0, bytes.Length);  
            Console.WriteLine("向服务端发送消息: {0}", Encoding.ASCII.GetString(bytes, 0, bytes.Length));  

            bytes = new byte[1024];  
            int i = stream.Read(bytes, 0, bytes.Length);  
            Console.WriteLine("从服务端收到消息: {0}", Encoding.ASCII.GetString(bytes, 0, i));  

            tcpclnt.Close();  
        }  
        catch (Exception e)  
        {  
            Console.WriteLine("出现异常: {0}", e.ToString());  
        }  
    }  
}  

示例二：Socket异步通信

下面的示例演示一个异步的Socket服务器，它可以同时处理多个请求。

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

class Program  
{  
    static int port = 8001;  
    static TcpListener listener = new TcpListener(IPAddress.Any, port);  

    static void Main(string[] args)  
    {  
        listener.Start();  
        Console.WriteLine("等待客户端连接...");

        var state = new StateObject();  

        while(true)  
        {  
            listener.BeginAcceptTcpClient(AcceptTcpClientCallback, state);  
            Console.WriteLine("正在等待下一个客户端连接...");  
        }  
    }  

    static void AcceptTcpClientCallback(IAsyncResult ar)  
    {  
        Console.WriteLine("客户端连接成功...");  

        var state = (StateObject)ar.AsyncState;  
        TcpClient client = listener.EndAcceptTcpClient(ar);   
        state.Client = client;  

        NetworkStream stream = state.Client.GetStream();  
        byte[] buffer = new byte[1024];  
        stream.BeginRead(buffer, 0, buffer.Length, ReadCallback, state);  
    }  

    static void ReadCallback(IAsyncResult ar)  
    {    
        var state = (StateObject)ar.AsyncState;  
        NetworkStream stream = state.Client.GetStream();  
        int length = stream.EndRead(ar);  

        string data = Encoding.ASCII.GetString(state.Buffer, 0, length);  
        Console.WriteLine("收到客户端消息：{0}", data);  

        byte[] responseBytes = Encoding.ASCII.GetBytes("谢谢友善的客户端！");  
        stream.BeginWrite(responseBytes, 0, responseBytes.Length, WriteCallback, state);  
    }

    static void WriteCallback(IAsyncResult ar)  
    {  
        var state = (StateObject)ar.AsyncState;  
        NetworkStream stream = state.Client.GetStream();  
        stream.EndWrite(ar);  
        stream.BeginRead(state.Buffer, 0, state.Buffer.Length, ReadCallback, state);  
    }
}  

class StateObject  
{  
    public TcpClient Client { get; set; }  

    public byte[] Buffer = new byte[1024];  
}  

上面的代码中，异步通信主要通过BeginXXX和EndXXX方法进行，回调函数则负责对数据进行处理和响应数据。