c# 网络编程（一）网络通信相关知识

基础知识

计算机的网络通信可归结为网络中层与层的通信。

网络分层：网络应用开发人员一般将网络分为4层：

• 物理层、数据链路层、
• 网络层。
• 传输层。
• 应用层（最顶层）。

分层并不是在物理上的分层，而是逻辑上的分层。

网络层建立的是主机与主机之间的通信，而传输层则建立了端口与端口之间的通信。这样，一旦确定了主机和端口号之后，你就可以实现程序之间的通信了。

IP地址、端口号

Internet使用IP地址来标识计算机的网络地址，使用端口号来识别不同计算机上的进程，所以通过IP地址+端口号的方式就可以唯一的标识网络上特定计算机的特定进程（应用程序）。

主机用端口号来标识不同的程序（进程），端口号是一个0到65535之间的整数，其中0到1023的端口号已被系统占用，用户只能选择大于1023的端口号来标识程序。

MAC地址

一个主机（电脑手机等）会有一个MAC地址（Madia Access Control Address），也叫物理地址，由网卡决定，他是全球唯一的、固定的。

IP地址可以变换，但MAC地址基本上不会改变。IP间的通信依赖MAC地址。

在局域网中，就可以动态维护一个MAC地址与IP地址的映射关系，根据目的IP地址就可以寻找到机器的MAC地址进行发送 。

DNS 负责域名解析

DNS（domain nname system）服务是和HTTP协议一样位于应用层的协议。它提供域名到IP地址之间的解析服务，即可以通过域名查找IP地址，也可以从IP地址反查找域名。

URL、URI

URL（Uniform Rescource Locator ，统一资源定位符）、URI（Uniform Resource Identifier，统一资源标识符）

URI用字符串表示某一互联网资源，而URL表示资源的地点即互联网上所处的位置，可见URL是URI的子集。通常URI和URL是一样的，不用刻意做区分。

一个URI示例：

https://www.dedao.cn/search/result?q=莫言

主机间进程（应用程序）通信

主机A中的程序和主机B中的程序只有只有使用了相同的协议，他们之间才可以正常通信。

有了地址，有了通信协议，我们就可以使用嵌套字（Socket）来进行通信了。两个程序之间的数据传输是通过嵌套字来完成的。我们可以将嵌套字理解为网络进程通信过程中所使用的一段缓冲区。

网络编程是为了实现通过网络协议，使本地计算机可以直接或间接地与其他计算机进行通信。目前（2014年）较为流行的网络编程模型是客户/服务器（Client/Server）结构。在通信的双方中，一方作为服务器等待客户提出请求并给予响应，另一方客户端在需要服务时向服务器提出申请。服务器一般作为守护进程始终运行监听网络端口，一旦有客户请求，就会启动一个服务进程来响应该客户，同时自己继续监听服务端口，使后来的客户也能及时得到服务。

与HTTP协议关系密切的协议：IP、TCP、DNS

负责传输的IP协议

按层次分，IP（Internet protocol）网际协议位于网络层。IP协议的作用就是把各种数据包传送给对方。而要保证确实传送到对方那里，则需要满足各类条件，其中两个重要的条件是IP地址和MAC地址（Madia Access Control Address）。

IP地址指明了节点被分配到的地址，MAC地址是指网卡所属的固定地址。IP地址可以和MAC地址进行配对。IP地址可以变换，但MAC地址基本上不会改变。IP间的通信依赖MAC地址。

在网络上，通信的双方在同一局域网（LAN）内的情况是很少的，通常是经过多台计算机和网络设备中转才能连接到对方。而在进行中转时，会利用下一站中转设备的MAC地址来搜索下一个中转目标。这时，会采用ARP协议（Address Resolution Protocol）。ARP是一种用以解析地址的协议，根据通信方的IP地址就可以反查出对应的MAC地址。在到达通信目标前的中转过程中，那些计算机和路由器等网络设备只能获悉很粗略的传输路线。这种机制称为路由选择，有点像快递公司的送货过程。无论哪台计算机、哪台网络设备，他们都无法全面掌握互联网中的细节。

负责域名解析的DNS服务

DNS（domain nname system）服务是和HTTP协议一样位于应用层的协议。它提供域名到IP地址之间的解析服务，即可以通过域名查找IP地址，也可以从IP地址反查找域名。

确保可靠性的TCP协议

按层次分，TCP协议位于传输层，提供可靠的字节流服务。所谓的字节流服务是指，为了方便传输，将大块数据分割成以报文段（segment）为单位的数据包进行管理。而可靠的传输服务是指，能够TCP协议能够确认数据最终是否送到到对方。

TCP/IP 协议族

TCP/IP是互联网相关的各类协议族的总称。所以，通常使用的网络（包括互联网）是在TCP/IP协议族的基础上运作的。而HTTP属于它内部的一个子集。

特点

TCP（transmission control protocol，传输控制协议）是一种面向连接的保证可靠传输的（传输层）协议，通过TCP传输，得到的是一个按顺序写的、无差错的数据流。主要特点：

• 向应用程序提供面向连接的服务，两个需要通过TCP进行数据传输的应用进程之间首先必须建立一个TCP连接，并且在数据传输完成后要释放连接。
• 提供全双工数据传输服务，只要建立了TCP连接，就能在两个应用进程之间进行双向的数据传输服务，但这种传输只是端到端，不支持多播和广播。
• 提供面向字节流的服务，两个建立了TCP连接的应所进程之间交换的是字节流。发送进程以字节流形式发送数据，接受进程也把数据作为字节流来接受。端到端之间不保留数据记录的边界，即在传输层面上不存在数据记录的概念。

TCP的工作过程：

1. 连接的建立：就是“发送一个校检包给对方然后互相确认”的过程。只有双方都接收到确认信号后，连接才能建立起来。 通信双方“建路”互通。
2. 传输数据：利用TCP传输数据时，数据是以字节流的形式存在的。客户端与服务器端建立连接后，发送方首先要将发送的数据转化为字节流，然后才能将它发送给对方。发送数据时，可以通过程序将数据流不断地写入TCP 的发送缓冲区中。然后，TCP会自动从发送缓冲区中提取一定量的数据，将其组成TCP报文段发送到ip层，再通过IP层（网络层）的网络接口发送出去。 接收端从IP层接收到TCP报文段后，会将其暂时保存在接收缓冲区中，然后通过程序依次读取接收缓冲区中的数据，从而达到相互通信的目的。 客户端程序需使用write方法将数据写入发送端的缓冲区中，然后服务器端（接收端）使用read方法从其自己的缓冲区中读取数据。概括起来，TCP传输就是“对数据的读、写操作”。
3. 断开连接：略。

UDP/IP 用户数据报协议

UDP（user data protocol，用户数据报协议）是一种无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址和目的地地址，他在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间和内容的正确性都是不能被保证的。因此UDP是一种非常简单的协议，在网络层的基础上实现了应用进程之间端到端的通信。特点如下：

• UDP是一种无连接协议，传输数据之前信源和信宿不需要建立连接，因此不存在连接建立的时延。在信源端，UDP传送数据的速度仅受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输宽带的限制。在信宿端，UDP把每个数据报放在队列中，应用程序每次从队列中读取一个数据报。

• 由于传输数据不需要建立连接，也就不需要维护连接，包括收发状态等。这样一台服务器可以同时向多个客户机发送相同的数据，例如实现多播。

• UDP数据报的首部很短，只有8字节，相对于TCP首部的20字节，开销小很多。

• 吞吐量不受流量控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输宽带、信源和信宿主机性能的限制。

套接字 Socket。

传输层底层实现：socket。socket并不是一个实实在在的东西，而是运输层抽象出来的一个对象。

不同的运输层协议对socket有不同的定义方式。在UDP协议中，使用目标IP+目标端口号来定义一个socket；在TCP中使用目标IP+目标端口号+源IP+源端口号来定义一个socket。我们只需要在运输层报文的头部附加上这些信息，目标主机就会知道我们要发送给哪个socket，对应监听该socket的进程就可获得信息。

.NET中，System.Net.Socket命名空间

该类封装了为进行网络通信而设计的一组公共函数。在 .NET中，System.Net.Socket命名空间为开发人员提供了开发基于Socket类的网络通信程序的一些类，包括Socket类、TcpClient、TcpListener类和UdpClient类，如果开发基于TCP/IP的网络通信程序，可以使用TcpClient、TcpListener类和UdpClient类， 使用上且比较简单；如果为了提高效率或者采用其他网络通信协议，可以采用Socket类。

EndPoint类用于表示网络地址，是一个抽象类。

相关参考：

• 《Learaning heard c# 学习笔记》

更新于：2023-05-03