一、Socket网络编程

1.Socket是什么？

在计算机通信领域，Socket被译为“套接字”。它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过Socket这种约定可以接收到其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。

2.Socket本质

是编程接口（API），对于TCP/IP的封装，TCP/IP也提供了可供程序员做网络开发所用的接口

3.Socket作用

Socket的英文原意是“插座”,的意思，通常在计算机编程中称作套接字，可以用来实现不同虚拟机或不同计算机之间的通信

4.Socket的典型应用

（1）Socket的应用之一就是Web服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的URL地址，向服务器发起请求，服务器分析接收到的URL请求，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，将文字、图片、视频等元素呈现给用户
（2）QQ或者微信或者默默等聊天社交工具等：本地的QQ或微信程序就是客户端，登录过程就是连接服务器的过程，聊天过程就是Socket的发送和接受信息过程

二、网络传输

（一）OSI网络七层模型

特点：

（1）人们可以很容易的讨论和学习协议的规范细节。
（2）层间的标准接口方便了工程模块化。
（3）创建了一个更好的互连环境。
（4）降低了复杂度，使程序更容易修改，产品开发的速度更快。
（5）每层利用紧邻的下层服务，更容易记住个层的功能。

（二）网络模型

网络编程的本质是两个设备之间的数据交换，当然，在计算机网络中，设备主要指计算机。
现在的网络编程基本上都是基于请求/响应方式的，也就是一个设备发送请求数据给另外一个，然后接收另一个设备的反馈。
在网络编程中，发起连接程序，也就是发送第一次请求的程序，被称作客户端(Client)，等待其他程序连接的程序被称作服务器(Server)。客户端程序可以在需要的时候启动，而服务器为了能够时刻相应连接，则需要一直启动。例如以打电话为例，首先拨号的人类似于客户端，接听电话的人必须保持电话畅通类似于服务器。

连接一旦建立以后，客户端和服务器端就可以进行数据传递了，而且两者的身份是等价的。

在一些程序中，程序既有客户端功能也有服务器端功能，最常见的软件就是BT、emule这类软件了。

（三）IP地址和端口

1.IP地址

IP地址是一个规定，现在使用的是IPv4，既由4个0-255之间的数字组成，在计算机内部存储时只需要4个字节即可。在计算机中，IP地址是分配给网卡的，每个网卡有一个唯一的IP地址，如果一个计算机有多个网卡，则该台计算机则拥有多个不同的IP地址，在同一个网络内部，IP地址不能相同。IP地址的概念类似于电话号码、身份证这样的概念。
由于IP地址不方便记忆，所以有专门创造了域名(Domain Name) 的概念，其实就是给IP取一个字符的名字，例如163.com、sina.com等。IP和域名之间存在一定的对应关系。如果把IP地址类比成身份证号的话，那么域名就是你的姓名。
其实在网络中只能使用IP地址进行数据传输，所以在传输以前，需要把域名转换为IP，这个由称作DNS的服务器专门来完成。
所以在网络编程中，可以使用IP或域名来标识网络上的一台设备。

2.端口

可以认为是设备与外界通讯交流的出口。端口可分为虚拟端口和物理端口，其中虚拟端口指计算机内部或交换机路由器内的端口，不可见。例如计算机中的80端口、21端口、23端口等。物理端口又称为接口，是可见端口，计算机背板的RJ45网口，交换机路由器集线器等RJ45端口。电话使用RJ11插口也属于物理端口的范畴。
规定一个设备有216个，也就是65536个端口，每个端口对应一个唯一的程序。每个网络程序，无论是客户端还是服务器端，都对应一个或多个特定的端口号。由于0-1024之间多被操作系统占用，所以实际编程时一般采用1024以后的端口号。

（四）Socket/TCP五层网络模型

（五）TCP和UDP

1.UDP:

（1）面向无连接，将数据及源封装在数据包中，不需要建立连接
（2）每个数据报的大小限制在64K内
（3）因无连接，是不可靠协议
（4）不需要连接连接，速度快

2.TCP：

（1）建立连接，形成传输数据的通道
（2）在连接中进行大数据量传输，以字节流的形式
（3）通过三次握手(四次挥手)完成连接，是可靠协议
（4）必须建立连接，效率会稍低

三、Socket/TCP

TCP报文

TCP报文是发送网络消息需要按照这种报文的格式去包装数据

一般需要了解一下几个字段：

序号：Seq序号，占32位，用来表示从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标识
确认序号：ACK序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，ACK=Seq+1
标志位共六个：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN含义：
（1）URG：紧急指针
（2）ACK :确认序号有效
（3）PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层
（4）RST:充值连接
（5）SYN:发起一个新连接
（6）FIN:释放一个连接
需要注意的是：
（A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。
（B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对

TCP三次握手

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SEND状态，等待Server确认。
第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ACK=J+1，随机产生一个seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RECV状态。
第三次握手：Client收到确认后，检查ACK是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ACK=K+1，并将数据包发送给Server，Server检查ACK是否为K+1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间就可以开始传输数据了。
SYN攻击：在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接，此时Serve处于SYN_RECV状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断的发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址不存在，因此Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络阻塞甚至系统瘫痪。SYN攻击就是一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击方式也很简单，即当有大量半连接状态且源地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令让其无处可逃：netstat -nap|grep SYN_RECV

TCP四次挥手

所谓四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总发送三个包以确认连接的断开。在Socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，流程如下：

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。
第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传输，Client进入FIN_WAIT_1状态。
第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态
第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传输，Server进入LAST_ACK状态
第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手

四、Socket编程

（一）Socket编程方式

Socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开Open->读写write/read->关闭close”模式来操作文件。Socket就是该模式的一个实现，Socket即是一种特殊的文件，一些Socket函数就是对其进行操作(读写IO、打开、关闭)。因此Socket也提供了类似于连接Connect、关闭连接Close、发送、接收等方法的调用

（二）数据传输方式

常用stream和dgram

1. STREAM

表示面向连接的数据传输方式，数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果丢失或损坏，可以重新发送，但是相对效率低

2.DGRAM

表示无连接的数据传输方式，计算机只管数据传输，不做数据校验，DGRAM所做的校验工作少，所以效率比STREAM高
例如：QQ视频聊天和语音聊天使用的就是DGRAM传输数据，因为首先需要保证通信的效率，尽量减少延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质影响

（三）服务器端编写步骤

调用socket()函数创建一个用于通信的套接字
买了个手机
给已经创建的套接字绑定一个端口号，一般通过设置网络套接口地址和调用bind()函数来实现
办张手机卡，插上手机卡
调用listen()函数使套接字成为一个监听套接字
等待来电
调用accept()函数来接受客户端的连接，这时就可以和客户端通信
接听到了打来的电话
处理客户端的连接请求
接通电话听、说沟通
终止连接
挂断电话

（四）客户端编写步骤

调用socket()函数创建一个用于通信的套接字
买了个手机
通过设置套接字地址结构，说明客户端与之通信的服务器的IP地址和端口号
输入对方手机号
调用Connect()函数来建立与服务器的连接
拨号，并等接听
调用读写函数发送或接收数据
说话、听话
终止连接
挂断电话

（五）案例

服务器端

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;  //套接字的命名空间
using System.Net; //IPAddress的命名空间
using System.Threading; //线程的命名空间
namespace FrmServer
{ 
   
    public partial class 服务器 : Form
    { 
   
        public 服务器()
        { 
   
            InitializeComponent();
            toolStripStatusLabel1.Text = "服务器已关闭";
        }
        //1.1声明套接字
        Socket serverSocket = null;
        //3.2 创建用来专门作为监听来电等待工作的线程
        Thread listenThread = null;
        private void btnStartServer_Click(object sender, EventArgs e)
        { 
   
            if (btnStartServer.Tag.ToString() == "open")
            { 
   
                btnStartServer.Tag = "close";
                btnStartServer.Text = "关闭服务器";
                //1.2调用Socket()函数 用于通信的套接字
                serverSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp); //第一个参数为寻找地址的方式,此时选定为IPV4的地址; 第二个参数为数据传输的方式，此时选择的是Stream传输(能够准确无误的将数据传输到)；第三个参数为执行的协议，此时选择的是TCP协议；
                //2.套接字绑定端口号，设置套接字的地址调用bind()因为此函数需要EndPoint 所以创建2.1和2.2
                //2.1 设置地址 IPaddress 在using System.Net;下此时需引入
                IPAddress address = IPAddress.Parse(txtIP.Text.Trim());
                //2.2 设置地址和端口
                IPEndPoint endPoint = new IPEndPoint(address, int.Parse(txtPort.Text.Trim())); //第一个参数为要设置的IP地址，第二参数为端口号
                try
                { 
   
                    //2.套接字绑定端口号和IP
                    serverSocket.Bind(endPoint);
                    toolStripStatusLabel1.Text = "服务已开启！";
                    MessageBox.Show("开启服务成功", "开启服务");
                }
                catch (Exception ex)
                { 
   

                    MessageBox.Show("开启服务失败：" + ex.Message, "开启服务失败");//ex.Message为出现异常的消息
                    return;
                }
                //3.1监听套接字，等待
                serverSocket.Listen(10); //参数为最大监听的用户数
                listenThread = new Thread(ListenConnectSocket);
                listenThread.IsBackground = true; //关闭后天线程
                listenThread.Start();
            }
            else if (btnStartServer.Tag.ToString() == "close")
            { 
   
                toolStripStatusLabel1.Text = "服务器已关闭";
                btnStartServer.Tag = "open";
                btnStartServer.Text = "开启服务器";
                isOpen = false;
                serverSocket.Close();
                serverSocket.Dispose();
            }
        }
        //3.3 用于判断用户是否链到服务器
        bool isOpen = true;  
        //3.4 监听用户来电 等待
       void ListenConnectSocket()
       { 
   
            while (isOpen) 
            { 
   
                try
                { 
   
                    Socket ClientSocket = serverSocket.Accept();
                    byte[] buffer = Encoding.Default.GetBytes("成功连接到服务器！");
                    ClientSocket.Send(buffer); 
                    string client = ClientSocket.RemoteEndPoint.ToString();
                    listBox1.Invoke(new Action<string>((msg) =>
                    { 
   
                        listBox1.Items.Add(DateTime.Now + ": " + msg);
                    }), client);

                    Thread thr = new Thread(ReceiveCkientMsg);
                    thr.IsBackground = true;
                    thr.Start(ClientSocket);
                }
                catch (Exception ex)
                { 
   
                    listenThread.Abort(ex.Message);
                }
            }
       }
        /// <summary>
        /// 服务器解释用户消息
        /// </summary>
        /// <param name="clientSocket"></param>
        private void ReceiveCkientMsg(object clientSocket)
        { 
   
            Socket client = clientSocket as Socket;
            while (true)
            { 
   
                byte[] recBuffer = new byte[1024 * 1024 * 2];
                int length = -1;
                try
                { 
   
                    length = client.Receive(recBuffer);
                }
                catch (Exception ex)
                { 
   
                    string str = client.RemoteEndPoint.ToString();
                    this.Invoke(new Action(() =>
                    { 
   
                        listBox1.Items.Add($"{str}:{str}");
                        listBox1.Items.Remove(str);
                    }));
                    break;
                }
                if (length==0)
                { 
   
                    string str = client.RemoteEndPoint.ToString();
                    this.Invoke(new Action(() =>
                    { 
   
                        listBox1.Items.Add($"{str}:下线了！");
                        listBox1.Items.Remove(str);
                    }));
                    break;
                }
                else
                { 
   
                    string msg = Encoding.Default.GetString(recBuffer,0, length);
                    string msgStr = $"{DateTime.Now}【接收{client.RemoteEndPoint.ToString()}】{msg}";
                    this.Invoke(new Action(() =>
                    { 
   
                        txtReceive.AppendText(msgStr + Environment.NewLine);
                    }));
                }
            }
        }
    }
}

客户端

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;
namespace FrmClient
{ 
   
    public partial class Form1 : Form
    { 
   
        public Form1()
        { 
   
            InitializeComponent();
        }
        //1.1创建套接字
        Socket clientSocket = null;
        Thread clientThread = null;
        //连接服务器
        private void btnConnectStart_Click(object sender, EventArgs e)
        { 
   
            //1.2
            clientSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);//地址类型，数据传输方式，协议
            //2.1 设置IP地址
            IPAddress address = IPAddress.Parse(txtIP.Text.Trim());
            //2.2 设置IP地址和端口号
            IPEndPoint endPoint = new IPEndPoint(address, int.Parse(txtPort.Text.Trim()));
            try
            { 
   
                txtRecive.AppendText("与服务器连接中..." + Environment.NewLine);
                //3与服务器建立连接
                clientSocket.Connect(endPoint); // 与服务器连接
            }
            catch (Exception ex)
            { 
   
                MessageBox.Show("连接失败："+ex.Message,"友情提示");
                return;
            }
            txtRecive.AppendText("与服务器连接成功！" + Environment.NewLine);
            //4.接收或发送消息 使用线程来实现
            clientThread = new Thread(ReceiveMsg);
            clientThread.IsBackground = true; //开启后台线程
            clientThread.Start();
        }

        private void ReceiveMsg()
        { 
   
            while (true)
            { 
   
                byte[] recBuffer = new byte[1024 * 1024 * 2];//声明最大字符内存
                int length = -1; //字节长度
                try
                { 
   
                    length = clientSocket.Receive(recBuffer);//返回接收到的实际的字节数量
                }
                catch (SocketException ex)
                { 
   
                    break;
                }
                catch (Exception ex)
                { 
   
                    this.Invoke(new Action(() =>
                    { 
   
                        txtRecive.AppendText($"与服务器断开连接：{ex.Message}{Environment.NewLine}");
                    }));
                    break;
                }
                //接收到消息
                if (length>0)
                { 
   
                    string msg = Encoding.Default.GetString(recBuffer, 0, length);//转译字符串(字符串，开始的索引，字符串长度)
                    string str = $"{DateTime.Now}【接收】{msg}{Environment.NewLine}";//接收的时间，内容，换行
                    this.Invoke(new Action(() =>
                    { 
   
                        txtRecive.AppendText(str);//添加到文本
                    }));
                }
            }
        }
        //发送消息
        private void btnSend_Click(object sender, EventArgs e)
        { 
   
            string str = txtSendBox.Text.Trim();
            byte[] buffer = Encoding.Default.GetBytes(str);
            clientSocket.Send(buffer);
            this.Invoke(new Action(() =>
            { 
   
                txtRecive.AppendText($"{DateTime.Now}【发送】{str}{Environment.NewLine}");
            }));
        }  
    }
}

参考链接1
参考链接2

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C#网络编程（Socket编程）

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