清晰易懂TCP通訊原理解析（附demo、簡易TCP通訊庫源碼、解決沾包問題等）C#版

時間 2019-12-17

標籤清晰易懂 tcp 通訊原理解析 demo 簡易源碼解決問題 c# 欄目系統網絡简体版

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目錄html

說明
TCP與UDP通訊的特色
TCP中的沾包現象
自定義應用層協議
TCPLibrary通訊庫介紹
Demo演示
未完成功能
源碼下載

說明編程

我前面博客中有多篇文章講到了.NET中的網絡編程，與TCP和UDP相關的有：瀏覽器

1.http://www.cnblogs.com/xiaozhi_5638/p/3167794.html安全

2.http://www.cnblogs.com/xiaozhi_5638/p/3169641.html服務器

3.http://www.cnblogs.com/xiaozhi_5638/p/3290283.html網絡

4.http://www.cnblogs.com/xiaozhi_5638/p/3313959.html數據結構

另外也有一些講的是經過Socket模擬瀏覽器訪問Web服務器，或者模擬Web服務器接收瀏覽器的請求：架構

1.http://www.cnblogs.com/xiaozhi_5638/p/3912668.html併發

2.http://www.cnblogs.com/xiaozhi_5638/p/3917943.html框架

(以前文章的排版不太好，很差意思！)

之全部對.NET中網絡編程寫得比較多，主要緣由有兩個，一是我公司作的項目多數跟通訊這個有關；二是研究Socket通訊工做模式有益於對軟件架構設計的理解，由於它裏面處處都使用到了「泵」結構，而這個結構幾乎是全部框架、大型模塊所必需具有的。另外，工做之餘寫的一本書（即將要出版）中有一章專門講到了「泵」結構在軟件系統中的做用。

此次寫這篇文章主要是看了網上一我的提的有關TCP編程的問題，因此就再次整理了一下這方面的知識，而且作了一個「簡易通訊庫」發出來給你們看看，代碼很簡單，功能也不是特別全，可是具有很好的擴展性，基本上能夠用來講明.NET中TCP通訊的工做模式。

TCP與UDP通訊的特色

關於對這二者的比較，網上一搜一大片，講得也比較清楚。TCP通訊就像打電話，雙方通訊以前須要創建鏈接、雙方就位後方可開始會話；而UDP通訊就像發短信，一方給另外一方發送數據前，並不須要對方就位。

上面兩幅圖顯示了TCP與UDP通訊過程創建的區別。

除了它們通訊過程創建的不一樣以外，二者還有如下區別：

TCP通訊特色

1）可靠性；

通訊雙方均就位，一方發送數據，另外一方收到後會作出迴應，若是超時未發送成功，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創建的一條隧道中，那麼數據遵循「先走先達到」的規則，而且隧道中的數據以「流」的形式傳輸，發送方發送的先後兩次數據之間沒有邊界，須要接收方本身根據事先規定好的「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。由於通訊雙方時刻須要維持着鏈接的存在，這必然會損耗通訊雙方主機性能，要想維持隧道的通暢，通訊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，這些都將致使網絡流量的增長。

UDP通訊特色

1）不可靠性；

既然無鏈接，發送方只管發送數據，而無論對方是否可以正確地接收到數據，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，能夠把「數據報」當作是一個「包」。若是把TCP傳輸數據好比成「河裏的流水」，那麼UDP傳輸數據就是‘郵局寄信’。發送方先發送的數據可能後到達，後發送的數據可能先到達，這個跟短消息相似。

3）低損耗。

「低損耗」包括機器性能損耗低、寬帶流量損耗低。UDP通訊不須要維持一個鏈接的存在，因此它不須要消耗額外的機器性能。同時它也沒有像TCP通訊那樣爲了保持隧道的通暢，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、重發等行爲。

此次咱們只討論TCP通訊。

TCP通訊中的「沾包」現象

上面提到過，TCP通訊中，數據是以「流」的形式傳輸的。前一次發送的數據和後一次發送的數據之間並無明顯的界限，這就會出現一個問題：當你收到一部分數據時，你沒法判斷接收到的數據是不是完整的？

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。而且每次接收到的數據量不肯定（雖然每次收到的數據不肯定，可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，當咱們每次收到一份數據時，咱們沒法輕易判斷（幾乎不能）收到的數據是否完整（是否能夠正確地被處理）。

以上現象咱們稱之爲「沾包」。TCP通訊過程當中，要想解決「沾包」問題，咱們必須人工採起一些措施，好比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，最終獲得一份完整的數據，並進行正確的處理。沒錯，這裏說的「規則」即是咱們一般聽到的「協議」。

關於協議，講到的地方也不少。簡單的說，協議就是一種「數據結構」，合做雙方必須同時按照相同的數據結構發送/接收數據，好比傳輸層的TCP/UDP協議，又好比應用層的HTTP/FTP等協議。B/S結構系統使用到的協議見下圖：

在TCP通訊中，在發送和接收數據的時候，若是咱們遵循事先定義的一種「協議」（屬於一種應用層協議）。好比，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」須要發送的數據；同理，在接收到數據後，按照這種形式去「反格式化」數據，這樣咱們即可以判斷數據邊界，輕鬆獲得一條完整數據。

自定義應用層協議

是的。咱們本身徹底能夠定義一個相似HTTP這樣的應用層協議，只要你能力足夠強，系統足夠大。今天在這裏，我只舉個簡單的例子，假設一個TCP通訊系統中，客戶端鏈接上服務器後，客戶端向服務器發送一個字符串，併發送一個字符串轉換指令（好比大小寫轉換、除去特殊字符等指令），服務器接收到數據後，按照對應的指令，將字符串轉換後發送回給客戶端。那麼這裏的應用層協議能夠這樣設計：

字符串轉換指令

序號	指令值（byte）	說明
1	0x01	將字符串中小寫字符轉換成大寫
2	0x02	將字符串中大寫字符轉換成小寫
3	0x03	去掉字符串中的百分號（%）字符
4	0x04	將字符串中的百分號（%）替換爲空格

如上表所示，假設一共有四種字符串轉換請求，那麼咱們能夠按下面圖設計應用層協議的數據結構：

如上圖所示，開頭一個字節表明字符串轉換指令類型，後續四個字節存放一個Int32的整型數據，表示字符串的長度（字符串採用Unicode編碼），最後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，可是，接收數據後，按照協議去解析數據該怎樣呢？事實上，這個相對來說稍微複雜一點。咱們能夠將每次接收到的數據（字節流）寫入一個緩衝區，而後判斷緩衝區中是否存在一條完整的數據，若是存在，則處理這條完整的數據；不然，繼續接收數據，將接收到的數據再次寫入緩衝區...以此循環。

TCPLibrary通訊庫介紹

其實我只是將一些代碼單獨拿出來生成了一個dll，這部分代碼能夠爲咱們搭建起TCP通訊的框架，包括服務端偵聽、（服務端/客戶端）接收數據、上下線、消息處理並通知Application以及「沾包」問題處理等等。功能並不全面，若是要拿去實際項目中使用還須要本身完善，文章末會列出未完成的功能。

TCP通訊過程創建以後，大概結構以下：

整個通訊庫中，只包含5個抽象類，以及5個默認實現類（因此說簡易）：

使用該通訊庫的前提是要定義好程序使用到的「協議」，而後重點實現ZMessage.RawData屬性和ZDataBuffer.TryReadMessage方法，前者能夠按照協議格式化須要發送的數據，後者能夠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），它默認使用如下的協議進行通訊：

其中，BaseDataBuffer.TryReadMessage方法具體實現爲：

 1         /// <summary>
 2         /// 按照規定協議，重寫TryReadMessage方法
 3         /// </summary>
 4         /// <returns></returns>
 5         internal override ZMessage TryReadMessage()
 6         {
 7             if (_length >= 8)   //  4 + 4 + N
 8             {
 9                 using (MemoryStream ms = new MemoryStream(_buffer))
10                 {
11                     BinaryReader br = new BinaryReader(ms);
12                     int msgtype = br.ReadInt32();  //讀取消息類型
13                     int msglength = br.ReadInt32();  //讀取消息長度
14                     if (_length - 8 >= msglength)  //若是緩衝區中存在一條完整消息，則讀取
15                     {
16                         byte[] msgcontent = br.ReadBytes(msglength);  //讀取消息內容
17                         BaseMessage bm = new BaseMessage(msgtype, msgcontent); //還原成一條完整的消息
18                         Remove(8 + msglength);  //注意！ 移除已讀數據
19 
20                         return bm;  //返回讀取到的消息
21                     }
22                     else
23                     {
24                         return null;
25                     }
26                 }
27             }
28             else
29             {
30                 return null;
31             }
32         }

View Code

BaseMessage.RawData屬性具體的實現爲：

 1         /// <summary>
 2         /// 按照規定協議，重寫RawData屬性
 3         /// </summary>
 4         public override byte[] RawData
 5         {
 6             get
 7             {
 8                 byte[] rawdata = new byte[4 + 4 + MsgContent.Length];  //消息類型 + 消息長度 + 消息內容
 9                 using (MemoryStream ms = new MemoryStream(rawdata))
10                 {
11                     BinaryWriter bw = new BinaryWriter(ms);
12                     bw.Write(MsgType);  //先寫入MsgType
13                     bw.Write(MsgContent.Length);  //再寫入MsgContent的長度
14                     bw.Write(MsgContent); //最後寫入消息內容
15                     return rawdata;
16                 }
17             }
18         }

View Code

能夠看到，上面一個按照協議格式化數據，而另外一個按照協議解析數據。它們兩個徹底遵照同一個協議。

Demo演示

使用TCPLibrary中的默認實現類（以Base開頭的類型），我作了一個簡單的Demo。該Demo能夠完成字符串、可序列化對象（圖片）的發送與接收。Demo源碼很簡單：

l Server端初始化：

1         private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
2         {
3             _server = new BaseServerSocket();
4             _server.Connected += new ConnectedEventHandler(_server_Connected);
5             _server.DisConnected += new DisConnectedEventHandler(_server_DisConnected);
6             _server.MessageReceived += new MessageReceivedEventHandler(_server_MessageReceived);
7             _server.StartAccept(9100);
8             textBox1.AppendText("服¤t務?器¡Â啓?動¡¥，ê?監¨¤聽¬y端?口¨² " + 9000 + "...\r\n");
9         }

View Code

l Client端的初始化：

1         private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
2         {
3             _client = new BaseClientSocket();
4             _client.Connected += new ConnectedEventHandler(_client_Connected);
5             _client.DisConnected += new DisConnectedEventHandler(_client_DisConnected);
6             _client.MessageReceived += new MessageReceivedEventHandler(_client_MessageReceived);
7             _client.Connect("127.0.0.1",9100);
8         }

View Code

能夠看到，使用起來很簡單。註冊事件後，既能夠開始運行了。

下面能夠看一下Demo截圖：

注意，這個Demo只是利用庫中的默認實現類來完成的。你徹底能夠本身定義一個協議，按照你本身的方式發送數據，好比「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。

未完成功能

剛開始就說過，TCPLibrary功能不足，不少功能都沒有。列舉幾個以下

1.線程安全

2.心跳檢測

3.都只有開始，沒有結束的功能

4.。。。

能夠把源碼下下來，本身嘗試補充這些功能。

源碼下載

下載地址：http://files.cnblogs.com/xiaozhi_5638/TCPDemo.rar

Win7+VS2010

但願有幫助！