2.4 C#套接字與網絡流

2.4.1 Socket類

套接字是支持TCP/IP網絡通信的基本操作單元。在一個套接字既保存了本機的IP地址和端口，也保存了對方主機的IP地址和端口，同時還有雙方通信的協議信息。C#的命名空間System.Net.Sockets提供了Socket類。一個Socket實例包含一個本地或者一個遠程的套接字信息。

Socket可以像流（Stream）一樣被視為數據通道，這個通道存在于服務器和客戶端之間。數據的發送和接收均通過這個通道進行。所以在應用程序創建Socket對象后，就可以用Send/SendTo方法將數據發送到連接的Socket中，或者使用Receive/ReceiveFrom方法接收連接的Socket數據。圖2-11顯示了客戶機（Client）和服務器（Server）進行通信的一般過程。

Socket類為網絡通信程序提供了豐富的方法和屬性。System.Net.Sockets命名空間中常用的TcpClient類、TcpListener類和UdpClient類都是以該類為基礎的。

2.4.2 套接字的類型與使用方法

1. Socket類的類型

套接字有3種不同類型：流套接字、數據報套接字和原始套接字。

（1）流套接字用來實現TCP通信，提供了面向連接的、可靠的、數據無錯且無重復的數據傳輸服務，并且發送和接收的數據的順序是相同的。

（2）數據報套接字用來實現UDP通信，提供了面向無連接的服務，它以獨立的數據報形式發送數據（數據包的長度不能大于32KB），不提供正確性檢查，也不保證各數據包的發送和接收順序，所以可能會出現數據重發、丟失等情況。

（3）原始套接字用來實現IP數據包通信，用于直接訪問協議的較低層，常用于偵聽及分析數據包，廣泛應用于高級網絡編程，也是一種經常使用的黑客手段。

這3種類型的套接字均可以使用System.Net.Sockets命名空間中的Socket類來實現。Socket的構造函數為：

     public Socket(AddressFamily addressFamily,SocketType socketType,ProtocolType protocolType);

各參數的含義如下。

①addressFamily：指網絡類型，使用AddressFamily枚舉指定Socket使用的尋址方案，常見的有AddressFamily.InterNetwork（表示IPv4的地址）和AddressFamily.InterNetmorkV6（表示IPv6的地址）。

②socketType和protocolType：這兩個枚舉類型的參數必須對應，共同指明Socket使用哪種協議的哪種套接字。表2-5列出這兩個參數的組合。

了解了構造函數的參數含義后，就可以創建套接字實例了，例如：

     Socket socket=new Socket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.stream,ProtocolType.Tcp)

表示創建基于TCP協議的IPv4流套接字。

2. Socket類的常用屬性

表2-6列出套接字的一些常用的屬性。

3. Socket類的常用方法

1）void Connect（IPEndPoint remoteIcp）

該方法客戶機獨有，通過遠程設備的套接字建立與遠程設備的連接。

2）int Send（）/int Receive（）

這兩個方法在完成客戶端的連接后，將數據發送到連接到的Socket上以及將數據從連接的Socket接收到緩沖區的指定位置。當Receive方法沒有可讀的數據時，將一直處于阻止狀態。

3）void Bind（IPEndPoint localIcp）

該方法對應服務器程序而言，使用Socket與本地IP地址和端口號關聯。

4）void Listen（int backlog）

該方法用于等待客戶端發出連接請求，其中的backlog為用戶的最大連接數，超過該參數值的其他客戶不能與服務器進一步通信。

5）Socket Accept（）

該方法創建新的Socket以處理連接請求。當程序執行到該方法時會處于阻塞狀態，直到有新的客戶機請求連接。該方法返回包含客戶端信息的套接字句柄。

6）void ShutDown（）

該方法在通信完成后負責將連接釋放，并關閉socket對象。表2-7列出了ShutDown方法可以使用的值。

7）void Close（）

該方法關閉遠程主機連接，并釋放所有與Socket關聯的資源。關閉后，Connected屬性將設置為false。對于面向連接的協議，先調用Shutdown方法，再調用Close方法，以確保在已連接的套接字關閉之前，已發送和接收該套接字上的所有數據。

4. 面向連接的套接字

面向連接的套接字使用TCP建立兩個IP地址端點間的通信。根據連接啟動的方式及本地Socket要連接的目標，套接字間的連接包括服務器監聽、客戶端請求、連接確認3個步驟。建立連接后的套接字雙方可以進行數據傳輸。其編程步驟如圖2-12所示。

【例2-3】 編寫控制臺程序，利用同步的面向連接Socket實現客戶端和服務器的消息通信。

（1）編寫服務器端程序，Program類中代碼如下：

（2）編寫客戶端程序，Program類中代碼如下：

5. 無連接的套接字

無連接的套接字使用UDP協議，不需要像面向連接的套接字那樣發送連接信息，即沒有使用Connect方法進行連接的步驟，發送進程直接使用SendTo方法進行數據發送；但是如果一個進程是等待遠程設備的信息，則套接字必須用Bind方法綁定到一個本地“IP地址／端口”上，完成綁定后才能使用ReceiveFrom方法接收數據。其編程步驟如圖2-13所示。

【例2-4】 編寫控制臺程序，利用無連接Socket實現接收方和發送方的消息通信。

（1）編寫接收方程序，Program類中代碼如下：

（2）編寫發送方程序，Program類中代碼如下：

2.4.3 網絡流

當通過網絡傳輸數據，或對文件數據進行操作時，需要將數據轉化為數據流的形式。數據流（stream）是對串行傳輸的數據（以字節為單位）的一種抽象表示，數據源可以是文件、外部設備、主存、網絡套接字等。數據流分為文件流、內存流和網絡流。網絡流用于在網絡上傳輸數據。使用網絡流時，數據在網絡的各個位置之間以連續的字節形式傳輸。為了處理這種網絡流，C#在System.Net.Sockets命名空間中提供了NetworkStream類用于收發網絡數據。

NetworkStream類相當于在網絡數據的源端和目的端之間架起了一個數據橋梁，使得讀取和寫入數據只針對這個通道進行。但NetworkStream類只支持面向連接的套接字。

對于NetworkStream流，寫入操作是從源端內存緩沖區到網絡上的數據傳輸，讀取操作是從網絡上到目的端內存緩沖區的數據傳輸，如圖2-14所示。

表2-8列出了NetworkStream類的常用屬性和方法。

下面介紹如何使用NetworkStream收發網絡數據。

1. 獲取NetworkStream實例

在構造一個NetworkStream實例后，就可以用它來收發網絡數據。

（1）利用TcpClient獲取網絡流對象。例如：

     TcpClient tcpClient=new TcpClient();
     tcpClient.Connect("www.cqut.edu.cn",5188);
     NetworkStream myNteworkStream=tcpClient.GetStream();

（2）利用Socket獲取網絡流對象。例如：

     NetworkStream myNetworkStream=new NetworkStream(mySocket);//mySocket為獲取的Socket對象

2. 利用NetworkStream實例收發數據

圖2-15顯示了利用網絡流收發數據的流程。其中，Write方法負責將字節數組從進程緩沖區發送到本機的TCP發送緩沖區，然后TCP/IP協議棧再通過網絡適配器將數據真正發送到網絡上，最終到達接收方的TCP接收緩沖區。

由于Write方法為同步方法，所以在發送成功或者返回異常前都將處于阻塞狀態，直到發送成功或者返回異常。

下面的代碼給出使用NetworkStream發送數據的一個示例。

     if(myNetworkStream.Canwrite)
     {
         byte[]myWriteBuffer=Encoding.ASCII.GetBytes("Are you receiving this message?");
         myNetworkStream.Write(myWriteBuffer,0,myWriteBuffer.Length);
     }
     else
         Console.WriteLine("Sorry.You cannot write to this NetworkStream.");

接收方通過調用Read方法將數據從接收緩沖區讀入到進程緩沖區，完成讀取操作。

下面的代碼給出使用NetworkStream讀取數據的一個示例。

     if(myNetworkStream.CanRead)
     {
         byte[]myReadBuffer=new byte[1024];
         String myCompleteMessage="";
          int numberOfBytesRead=0;
         //準備接收的信息有可能大于1024,所以用循環
         do{
           numberOfBytesRead=myNetworkStream.Read(myReadBuffer,0,myReadBuffer.Length);
           myCompleteMessage=String.Concat(myCompleteMessage,Encoding.ASCII.GetString(myReadBuffer,
     0,numberOfBytesRead));
          }while(myNetworkStream.DataAvailable);
     }

使用NetworkStream實例時，需要注意以下幾點：

（1）通過DataAvailable屬性，可以查看在緩沖區中是否有數據等待讀出。

（2）網絡流沒有當前位置的概念，因此它不支持對數據流的查找和隨機訪問。

（3）網絡數據傳輸完成后，必須用Close方法關閉NetworkStream實例。

2.4.4 網絡數據編碼與解碼

在網絡通信中，很多時候通信雙方傳達的是字符信息。但是字符信息不能直接在網絡中傳遞，而是需要轉換成一個字節序列后才能在網絡中傳輸。將字符序列轉換為字節序列的過程稱為編碼；反之即為解碼。

1. 常見字符編碼方式

常見的字符編碼方式有以下3種：

1）ASCII字符集

ASCII字符集是美國信息交換標準委員會（American Standards Committee for Information Interchange）的縮寫，在20世紀80年代由美國英語通信所設計。每個ASCII碼由7位構成，整個ASCII字符集由128個字符組成，包括大小寫字母、數字0～9、標點符號、非打印字符（換行符、制表符等4個）以及控制字符（退格、響鈴等）。

2）非ASCII字符集

由于ASCII字符針對英語設計，當處理漢字等其他字符時，這種編碼就不適用了。為解決這個問題，不同國家制訂了自己的編碼標準。我國一般使用國標碼，常用的有GB 2312和GB 18030—2000編碼，其中，GB 18030編碼漢字更多，是我國計算機系統必須遵循的基礎性編碼標準之一。

在GB 2312編碼中，漢字都采用雙字節編碼。為了與系統中基本的ASCII字符集區分開，所有漢字編碼的每個字節的第一位都是1。例如，“啊”字的編碼為0xB0A1。GB 18030是對GB 2312的擴展，其編碼長度由2個字節變為1～4個字節。

3）Unicode字符集

由于每個國家都有自己的編碼方式，要想打開一個文本文件，就必須知道其編碼方式，否則就會出現亂碼。為了讓國際信息交流更加方便，國際組織制定了Unicode字符集。它為各種語言中的每一個字符規定了統一且唯一的字符，并且只需要兩個字節，便可以表示地球上絕大部分地區的文字。

C#的默認字符都是Unicode碼，一個英文字母和一個漢字一樣，都占兩個字節。Unicode碼雖然能夠表示大部分國家的文字，但是其占有空間比ASCII碼大一倍，這對于能用ASCII碼表示的字符顯得有些浪費。因此，又出現了一些中間格式的字符集，它們被稱為通用轉換格式，即UTF（Universal Transformation Format）。目前比較流行的是UTF-8、UTF-16、UTF-32。

UTF-8是Internet上使用最廣泛的一種UTF格式。它是Unicode的一種變長字符編碼，一般用1～4個字節編碼一個Unicode字符，即將一個Unicode字符編為1～4個字節組成的UTF-8格式，根據不同的符號變化字節長度。UTF-8是與字節順序無關的，它的字節順序在所有系統中都是一樣的，故此種編碼可以使排序變得容易。

UTF-16將每個碼位表示為一個由1～2個16位整數組成的序列。

UTF-32將每個碼位表示為一個32位整數。

2. C#中的編碼與解碼類

1）Encoding類

Encoding類位于System.Text命名空間中，主要用于在不同的編碼和Unicode之間進行轉換。表2-9中列出了Encoding類常見的屬性和方法。

利用Encoding類的Convert方法可將字節數組從一種編碼轉換為另一種編碼。方法原型為：

     Public static byte[]Convert(Encoding srcEncoding,Encoding dstEncoding,byte[]bytes)

各參數含義如下。

srcEncoding：表示源編碼格式。

dstEncoding：表示目標編碼格式。

Bytes：待轉換的字節數組。

返回值為包含轉換結果的Byte類型的數組。

將Unicode字符串轉換為UTF8字符串時，可以參考以下步驟。

（1）利用Encoding的UTF8和Unicode屬性獲取UTF8格式的編碼實例utf8和Unicode編碼實例unicode，例如：

     string unicodeString="unicode字符串pi(\u03a0)";
     Encoding Unicode=Encoding.Unicode;
     Encoding utf8=Ecoding.UTF8;

（2）利用unicode實例的GetBytes方法將Unicode字符編碼為Unicode字節數組：

     byte[]unicodeBytes=unicode.GetBytes(unicodeString);

（3）利用Encoding的Convert方法將Unicode字節數組轉換為UTF8字節數組：

     byte[]utf8Bytes=Encoding.Convet(Encoding.Unicode,Encoding.UTF8,unicodeBytes);

（4）最后利用實例utf8的GetString方法將UTF8字節數組解碼為UTF8字符串：

     string utf8String=utf8.GetString(utf8Bytes);

2）Encoder類和Decoder類

在網絡傳輸和文件操作中，如果數據量比較大，需要將其劃分為較小的塊。對于跨塊傳輸的情況，直接使用Encoding類的GetBytes方法編寫程序比較麻煩，而Encoder和Decoder由于維護了數據塊結尾信息，則可以輕松地實現跨塊字符序列的正確編碼和解碼，因此它們在網絡傳輸和文件操作中很有用。

Encoder和Decoder類位于System.Text命名空間下，Encoder可以將一組字符串轉換為一個字節序列，而Decoder則將已編碼的字節序列解碼為字符序列。Encoder編碼的步驟為：

（1）獲取Encoder實例。利用它對字符編碼首先要獲取Encoder類的實例，由于Encoder的構造函數為protected，不能直接創建該類的實例，必須通過Encoding提供的GetEncoder方法創建實例，例如：

     //獲取ASCII編碼的Encoder實例
     Encoder ASCiiEncoder=Encoding.ASCII.GetEncoder();
     //獲取Unicode編碼的Encoder實例
     Encoder unicodeEncoder=Encoding.Unicode.GetEncoder();

（2）GetBytes方法。獲取Encoder實例后，利用它的GetBytes方法將一組字符編碼轉換為字節序列。

方法原型：

該方法將編碼后的字節數組存儲在參數bytes中，返回結果為寫入bytes的實際字節數。如果設置flush為false，則編碼器會將數據塊末尾的尾部字節存儲在內部緩沖區中，為下次編碼操作中使用這些字節做準備。

（3）GetByteCount方法。該方法計算對字符序列進行編碼后所產生的精確字節數，以確定GetBytes方法中byte類型數組實例的長度。

方法原型：

Decoder類解碼的步驟為：首先通過Encoding的GetDecoder方法創建Decoder實例，然后用實例的GetChars方法將字節序列解碼為一組字符。

GetChars方法用于將一個字節序列解碼為一組字符，并從指定的索引位置開始存儲這組字符。

方法原型：

該方法返回chars寫入的實際字符數。

【例2-5】 利用Encoder和Decoder類實現編碼和解碼。

程序運行結果如圖2-16所示。