联网基于流的套接字和数据文报

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1、第二十三章 联网：基于流的套接字和数据文报,本章的学习内容包括四个方面： 1 会使用套接字和数据文报实现 Visual C+ .NET 联网应用程序 2 理解如何实现相互通信的 Visual C+ .NET 客户机和服务器 3 理解如何实现基于网络的合作式应用程序 4 学习编写多线程服务器软件,23.1 概述 Internet 紧密联系 “信息世界”；万维网则使 Internet 更容易使 用，并在它的基础上添加了多媒体支持。这使得许多企业都将 Internet 和万维网视为自己的信息系统策略的关键性组成部分。 .NET Framework 内建了丰富的联网功能，它们简化了基于 Interne

2、t 和万维网的应用程序的开发。Visual C+ 不仅通过多线程处理实 现了并发性，还允许程序在万维网上搜索信息，并和远程计算 机上运行的程序合作。 在上一章中，我们讨论了 Web 服务，它是一种高级的联网技 术，允许程序员用 Visual C+ .NET 来开发分布式应用程序。,本章的重点在于为 Visual C+ .NET 的 Web 服务功能提供支持 的联网技术，可利用这些技术来构建分布式应用程序。 在讨论联网技术时，应同时关注 “客户机/服务器” 关系的两个 方面。客户机请求服务器采取某个行动；服务器则采取行动并 响应客户机。这种 “请求 响应” 模型的最常见的一种实现就是 Web 浏

3、览器和 Web 服务器之间的关系。用户通过 Web 浏览器 （客户端应用程序）选择一个要访问的网站时，Web 浏览器就 向目标 Web 服务器（服务器应用程序）发出一个请求。 Web 服 务器通常发送相应的网页来响应用户的请求。 .NET Framework 的联网功能是几个命域空间中提供的。基本联 网功能由命域空间 System:Net:Sockets 中的类和接口来实现的。,Visual C+ .NET 通过该命域空间提供了基于套接字的通信功能， 它允许开发者将联网操作视为文件 I/O 操作。换言之，程序可从 一个套接字（网络连接）中读取数据，也可以将数据写入套接 字，整个过程就像读写文件

4、那样。 System:Net:Sockets 命名空间的类和接口还支持 “基于数据包 的通信”，它允许传输单独的数据包。一批数据要通过网络发送 时，首先会被分解成 “数据包”，也就是一种小的数据单元。每 个数据包含有原始数据的少量字节。此外，数据包中还包含另 一些信息（称为 “标头” 信息），比如数据包的起源地和目的地。 数据包是 Internet 传送声音和视频信息的一种常见的方式。本章 要讲解如何创建和操纵套接字，以及如何通过数据包进行通信。,Visual C+ .NET 中，基于套接字的通信使用的是 “流套接字” （Stream Socket）。使用流套接字，一个进程可以和另外一个进 程

5、建立 “连接”。连接建立后，数据就以连续的 “流” 的形式在进 程之间传输。所以，我们认为流套接字提供的是 “面向连接的服 务”。流行的 TCP（传输控制协议）简化了流套接字通信。 Visual C+ .NET 中，基于数据包的通信采用的是 “数据文报套 接字”（Datagram Socket）。通过它传输的是单独的数据包。和 TCP 不同，为数据文报套接字提供支持的 UDP（用户数据文报 协议）是一种 “无连接的服务”，它不能保证数据包按特定顺序 到达目的地。实际上，传输时还有可能丢失和重复数据包。使 用 UDP 的应用程序通常需要进行额外的编程来解决这些问题。,适合使用 UDP 的是不需要

6、像 TCP 那样的错误检查机制和可靠性 检查机制的应用程序。例如，许多网络游戏使用的就是 UDP， 因为在这些类型的应用程序中，速度是最重要的。对于大多数 Visual C+.NET 程序员，流套接字和 TCP 协议应该是首选的通信 方法（可以实现采用不同处理器和操作系统的计算机能相互通 信）。与面向连接的服务相比，无连接服务的数据通讯性能较 好，但可靠性较差。,23.2 建立简单服务器（使用流套接字） 使用 TCP 和流套接字时，服务器通常 “等待” 客户端的连接请 求。服务器程序一般包括一个用于查询连接请求的控制语句或 代码块，它连续执行，直到服务器收到请求。收到请求后，服 务器建立和客户

7、端的连接，并通过该连接处理客户端的后续请 求，并向客户端发送或从客户端接收数据。 使用 TCP 和流套接字建立一个简单服务器需要 5 个步骤。 第一步：创建 TcpListener 类（位于 System:Net:Sockets 命名空间 中）对象，它代表了一个 TCP 流套接字，服务器通过它来侦听 请求。调用 TcpListener 类的构造函数时：,TcpListener server = new TcpListener ( new IPAddress ( static_cast( 0 ) ), port ) 会将服务器绑定到指定的端口号。端口号是一个数值 ID 编号， 它用于在一个给定的

8、 “网络地址”（也称为 “IP 地址”）标识一个 进程。IP 地址用于在 Internet 上标识一台计算机。事实上，像 这样的网络名称就是 IP 地址的别名。执行联网操 作的每个进程都用一对 “IP 地址/端口号” 来标识自己。所以，给 定的 IP 地址，不能有两个进程使用相同的端口号。通常不需要 显式地（使用 Socket 类的 Bind 方法）将套接字绑定到一个端 口，因为 TcpListener 类和以后讨论的其他类都能自动为你执行 这个绑定以及套接字初始化操作。,端口号范围在 0 65535 之间。很多操作系统为系统服务（比如 电子邮件和 Web 服务器）保留了 1024 以下的端

9、口号。应用程序 在得到特别授权时才能使用这些保留端口号。服务器端应用程 序一般不要把 1024 以下的端口号指定为连接端口，因为操作系 统可能要保留它们。 第二步：调用 TcpListener 的 Start 方法，导致 TcpListener 对象开 始侦听连接请求。 第三步：收到连接请求后，服务器就建立与客户端的连接。 用 System:Net:Sockets:Socket 类对象负责管理与客户端的连接。用 TcpListener 的 AcceptSocket 方法等待连接请求，收到请求后就建 立连接，并在连接成功后返回一个 Socket 对象，代码如下：,Socket connectio

10、n = server-AcceptSocket(); 该语句的操作是服务器收到请求后，AcceptSocket 方法会调用 TcpListener 的底层 Socket 对象的 Accept 方法来实现连接的建立。 这是 Visual C+ .NET 在程序员面前隐藏联网细节的一个典型例子。 程序员只要在服务器程序中使用上述语句，让定义在命名空间 System:Net:Sockets 中的类来处理 “接收请求” 和 “建立连接” 的全 部细节。 第四步：通信处理阶段。只有在服务器和客户端连接后，才能 使用 Socket 类的 Receive 和 Send 方法进行服务器和客户端之间 的通信。如

11、果使用 UDP 和数据文报套接字 Socket 的 SendTo 和 ReceiveFrom 方法，可以在不建立连接的情况下进行数据通讯。,第五步：连接终止阶段。服务器使用 Socket 对象的 Close 方法关 闭连接，导致客户端和服务器之间结束通信。然后大多数服务 器都会回到第三步（等待另一个客户端的连接请求）。 上述服务器方案存在一个重大问题：第四步处理客户端请求 时，会 “阻塞” 其他请求。在通信处理阶段的代码执行时，其他 客户端不能连接服务器。解决该问题最常见的技术是使用多线 程服务器，它将通信处理阶段的代码放到一个单独的线程中。 服务器收到连接请求后，会创建一个 Thread（线

12、程）类对象来 处理该连接，使 TcpListener 能继续接收其他连接请求。这个新 建的线程还会被指派一个新的 Socket（使用不同的端口号）对 象，并通过这个新的 Socket 对象与客户端通信。,流行的 UNIX 和 Windows 网络服务器正是采用了这种多线程服务 器构架。可以让多线程服务器创建一个线程，通过 AcceptSocket 方法返回的 Socket 对象指针来管理网络 I/O。在内存充足的高性 能服务器上，可在多线程服务器中创建线程池（Thread pool）， 以便迅速分配这些线程，让它们管理通过每一个 Socket 进行的 网络 I/O。这样一来，收到连接请求后，服

13、务器就不会产生创建 线程的开销。,23.3 建立简单客户机（使用流套接字） 创建一个简单的 “流套接字” 客户端，需要 4 个步骤。 第一步：创建 TcpClient（位于 System:Net:Sockets 命名空间中） 类对象来连接服务器。连接是通过 TcpClient 类的 Connect 方法来 建立的。该方法的一个重载版本可接收两个参数，也就是服务 器 IP 地址和端口号，调用代码如下所示： TcpClient client = new TcpClient(); client-Connect( serverAddress, serverPort ); 其中， serverPort，

14、是一个 int 值，代表服务器的端口号； serverAddress 既可以是一个 IPAddress 实例（其中封装了服务器 IP 地址），也可以是一个指定了服务器主机名的字符串。,另外，程序员可以向 Connect 方法的一个不同的重载版本传递指 向 IPEndPoint 类的一个对象的指针，该对象代表的是一对 “IP 地 址/端口”。TcpClient 类的 Connect 方法会调用 Socket 类的 Connect 方法来建立连接。如果连接成功，TcpClient:Connect 方法会返回 一个正整数；否则返回 0。 第二步：调用 TcpClient 类的 GetStream 方

15、法获得 NetworkStream 对象，以便向服务器写入和从服务器读取数据。 NetworkStream 的 WriteByte 和 Write 方法分别向服务器输出单个字节和字节集。 类似地，可用 NetworkStream 的 ReadByte 和 Read 方法分别从服 务器读取单个字节和字节集。,第三步：通信处理阶段。在该阶段，客户端使用 NetworkStream 的 ReadByte、Read、WriteByte 和 Write 方法来执行客户端和服务 器之间相应的通信操作。在处理一个连接的通信时，客户端可 与服务器类似地通过不同的线程来防止出现阻塞与其他服务器 的通信。 第四步

16、：通信处理完毕后，客户端调用 NetworkStream 的 Close 方法来关闭连接。这会关闭底层 Socket（如果 NetworkStream 有 一个对该 Socket 的引用）。然后，客户端调用 TcpClient 类的 Close 方法来终止 TCP 连接。如果结束通信后不关闭流套接字， 就会浪费资源。注意，切记使用 Socket 的 Close 方法显式关闭 每个使用完毕的套接字。,23.4 通过流套接字连接进行客户机/服务器交互 本节的实例使用前两节讨论的类和技术来构建一个简单的客 户机/服务器应用程序。在此例中，服务器等待客户端的连接请 求。客户端应用程序连接上服务器之后，服务器应用程序向客 户端发送一个字节数组，表示连接成功。然后，客户端显示一 条消息通知用户连接成功。 本例中包括服务器应用程序 Server 和客户端应用程序 Client。 两个应用程序的 GUI 中都包含了用于通信的文本框，用户可在 其中输入消息并将其发送给另一个应用程序。客户端或服务器 发送 “TE