C#版清晰易懂TCP通信原理解析（附demo）
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來源：周見智
cnblogs.com/xiaozhi_5638/p/4244797.html
對.NET中網絡編程寫得比較多，主要原因有兩個，一是我公司做的項目多數跟通信這個有關；二是研究Socket通信工作模式有益于對軟件架構設計的理解，因為它里面到處都使用到了“泵”結構，而這個結構幾乎是所有框架、大型模塊所必需具備的。另外，工作之余寫的一本書（即將要出版）中有一章專門講到了“泵”結構在軟件系統中的作用。
這次寫這篇文章主要是看了網上一個人提的有關TCP編程的問題，所以就再次整理了一下這方面的知識，并且做了一個“簡易通信庫”發出來給大家看看，代碼很簡單，功能也不是特別全，但是具備很好的擴展性，基本上可以用來說明.NET中TCP通信的工作模式。
TCP與UDP通信的特點
關于對這兩者的比較，網上一搜一大片，講得也比較清楚。TCP通信就像打電話，雙方通信之前需要建立連接、雙方就位后方可開始會話；而UDP通信就像發短信，一方給另一方發送數據前，并不需要對方就位。
上面兩幅圖顯示了TCP與UDP通信過程建立的區別。
除了它們通信過程建立的不同之外，兩者還有以下區別：
TCP通信特點
1）可靠性；
通信雙方均就位，一方發送數據，另一方收到后會做出回應，如果超時未發送成功，會自動重發，數據不會丟失。
2）順序性；
既然數據是按順序走在建立的一條隧道中，那么數據遵循“先走先達到”的規則，并且隧道中的數據以“流”的形式傳輸，發送方發送的前后兩次數據之間沒有邊界，需要接收方自己根據事先規定好的“協議”去判斷數據邊界。
3）高損耗。
“高損耗”包括機器性能損耗高、寬帶流量損耗高。因為通信雙方時刻需要維持著連接的存在，這必然會損耗通信雙方主機性能，要想維持隧道的通暢，通信雙方必須不斷地發送檢測包和應答包，同時，它還支持數據重發等數據糾錯功能，這些都將導致網絡流量的增加。
UDP通信特點
1）不可靠性；
既然無連接，發送方只管發送數據，而不管對方是否能夠正確地接收到數據，更不負責數據超時重發等功能。
2）無序性；
數據以“數據報”的形式發送，可以把“數據報”看成是一個“包”。如果把TCP傳輸數據比如成“河里的流水”，那么UDP傳輸數據就是‘郵局寄信’。發送方先發送的數據可能后到達，后發送的數據可能先到達，這個跟短消息類似。
3）低損耗。
“低損耗”包括機器性能損耗低、寬帶流量損耗低。UDP通信不需要維持一個連接的存在，所以它不需要消耗額外的機器性能。同時它也沒有像TCP通信那樣為了保持隧道的通暢，而必須不停地發送檢測包和應答包，更不會進行一些數據檢測糾錯、重發等行為。
這次我們只討論TCP通信。
TCP通信中的“沾包”現象
上面提到過，TCP通信中，數據是以“流”的形式傳輸的。前一次發送的數據和后一次發送的數據之間并沒有明顯的界限，這就會出現一個問題：當你收到一部分數據時，你無法判斷接收到的數據是否是完整的？
如上圖，發送方發送三次數據，而接收方可能一共分四次接收。并且每次接收到的數據量不確定（雖然每次收到的數據不確定，但是將四次接收到的數據拼接起來，與發送時的一致）。這樣以來，當我們每次收到一份數據時，我們無法輕易判斷（幾乎不能）收到的數據是否完整（是否可以正確地被處理）。
以上現象我們稱之為“沾包”。TCP通信過程中，要想解決“沾包”問題，我們必須人工采取一些措施，比如在發送數據時遵循一些“規則”，在接收到數據時，再按照相同的“規則”去解析數據，最終得到一份完整的數據，并進行正確的處理。沒錯，這里說的“規則”便是我們通常聽到的“協議”。
關于協議，講到的地方也很多。簡單的說，協議就是一種“數據結構”，合作雙方必須同時按照相同的數據結構發送/接收數據，比如傳輸層的TCP/UDP協議，又比如應用層的HTTP/FTP等協議。B/S結構系統使用到的協議見下圖：
在TCP通信中，在發送和接收數據的時候，如果我們遵循事先定義的一種“協議”（屬于一種應用層協議）。比如，在發送數據時，按照“數據頭(4Byte)+內容長度(4Byte)+內容正文(NByte)+附加信息(8Byte)”這種形式去“格式化”需要發送的數據；同理，在接收到數據后，按照這種形式去“反格式化”數據，這樣我們便可以判斷數據邊界，輕松得到一條完整數據。
自定義應用層協議
是的。我們自己完全可以定義一個類似HTTP這樣的應用層協議，只要你能力足夠強，系統足夠大。今天在這里，我只舉個簡單的例子，假設一個TCP通信系統中，客戶端連接上服務器后，客戶端向服務器發送一個字符串，并發送一個字符串轉換指令（比如大小寫轉換、除去特殊字符等指令），服務器接收到數據后，按照對應的指令，將字符串轉換后發送回給客戶端。那么這里的應用層協議可以這樣設計：
如上表所示，假設一共有四種字符串轉換請求，那么我們可以按下面圖設計應用層協議的數據結構：
如上圖所示，開頭一個字節代表字符串轉換指令類型，后續四個字節存放一個Int32的整型數據，表示字符串的長度（字符串采用Unicode編碼），最后N個字節表示字符串內容。數據發送方必須按照此協議格式發送數據，數據接收方必須按照此協議格式接收數據。
發送數據時按照協議格式化數據很簡單，但是，接收數據后，按照協議去解析數據該怎樣呢？事實上，這個相對來講稍微復雜一點。我們可以將每次接收到的數據（字節流）寫入一個緩沖區，然后判斷緩沖區中是否存在一條完整的數據，如果存在，則處理這條完整的數據；否則，繼續接收數據，將接收到的數據再次寫入緩沖區...以此循環。
TCPLibrary通信庫介紹
其實我只是將一些代碼單獨拿出來生成了一個dll，這部分代碼可以為我們搭建起TCP通信的框架，包括服務端偵聽、（服務端/客戶端）接收數據、上下線、消息處理并通知Application以及“沾包”問題處理等等。功能并不全面，如果要拿去實際項目中使用還需要自己完善，文章末會列出未完成的功能。
TCP通信過程建立之后，大概結構如下：
整個通信庫中，只包含5個抽象類，以及5個默認實現類（所以說簡易）：
使用該通信庫的前提是要定義好程序使用到的“協議”，然后重點實現ZMessage.RawData屬性和ZDataBuffer.TryReadMessage方法，前者可以按照協議格式化需要發送的數據，后者可以按照協議解析一條完整的消息。庫中包含5個默認實現類（以Base開頭的），它默認使用以下的協議進行通信：
其中，BaseDataBuffer.TryReadMessage方法具體實現為：
/// <summary>
/// 按照規定協議，重寫TryReadMessage方法
/// </summary>
/// <returns></returns>
internal override ZMessage TryReadMessage()
{
if (_length >= 8) // 4 + 4 + N
{
using (MemoryStream ms = new MemoryStream(_buffer))
{
BinaryReader br = new BinaryReader(ms);
int msgtype = br.ReadInt32(); //讀取消息類型
int msglength = br.ReadInt32(); //讀取消息長度
if (_length - 8 >= msglength) //如果緩沖區中存在一條完整消息，則讀取
{
byte[] msgcontent = br.ReadBytes(msglength); //讀取消息內容
BaseMessage bm = new BaseMessage(msgtype, msgcontent); //還原成一條完整的消息
Remove(8 + msglength); //注意！ 移除已讀數據
return bm; //返回讀取到的消息
}
else
{
return null;
}
}
}
else
{
return null;
}
}
BaseMessage.RawData屬性具體的實現為：
/// <summary>
/// 按照規定協議，重寫RawData屬性
/// </summary>
public override byte[] RawData
{
get
{
byte[] rawdata = new byte[4 + 4 + MsgContent.Length]; //消息類型 + 消息長度 + 消息內容
using (MemoryStream ms = new MemoryStream(rawdata))
{
BinaryWriter bw = new BinaryWriter(ms);
bw.Write(MsgType); //先寫入MsgType
bw.Write(MsgContent.Length); //再寫入MsgContent的長度
bw.Write(MsgContent); //最后寫入消息內容
return rawdata;
}
}
}
可以看到，上面一個按照協議格式化數據，而另一個按照協議解析數據。它們兩個完全遵守同一個協議。
Demo演示
使用TCPLibrary中的默認實現類（以Base開頭的類型），我做了一個簡單的Demo。該Demo可以完成字符串、可序列化對象（圖片）的發送與接收。Demo源碼很簡單：
Server端初始化：
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
_server = new BaseServerSocket();
_server.Connected += new ConnectedEventHandler(_server_Connected);
_server.DisConnected += new DisConnectedEventHandler(_server_DisConnected);
_server.MessageReceived += new MessageReceivedEventHandler(_server_MessageReceived);
_server.StartAccept(9100);
textBox1.AppendText("服¤t務?器??啟?動?￥，ê?監¨¤聽?y端?口¨2 " + 9000 + "...
");}
Client端的初始化：
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
_client = new BaseClientSocket();
_client.Connected += new ConnectedEventHandler(_client_Connected);
_client.DisConnected += new DisConnectedEventHandler(_client_DisConnected);
_client.MessageReceived += new MessageReceivedEventHandler(_client_MessageReceived);
_client.Connect("127.0.0.1",9100);
}
可以看到，使用起來很簡單。注冊事件后，既可以開始運行了。
下面可以看一下Demo截圖：
注意，這個Demo只是利用庫中的默認實現類來完成的。你完全可以自己定義一個協議，按照你自己的方式發送數據，比如“頭(4Byte)+是否加密(1Byte)+發送方程序版本(8Byte)+消息長度(4Byte)+消息內容(NByte)+附加信息(8Byte)”這種方式發送數據/接收數據。只要你正確的實現了上面強調的方法和屬性。
源碼下載
下載地址：http://files.cnblogs.com/xiaozhi_5638/TCPDemo.rar
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紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的C#版清晰易懂TCP通信原理解析（附demo）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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