探討.NET網(wǎng)絡編程技術原理與開發(fā)實例

許懷民

【摘 要】.NET框架（.NET Framework） 是由微軟開發(fā)，一個致力于敏捷軟件開發(fā)（Agile software development）、快速應用開發(fā)（Rapid application development）、平臺無關性和網(wǎng)絡透明化的軟件開發(fā)平臺。.NET是微軟為下一個十年對服務器和桌面型軟件工程邁出的第一步。.NET包含許多有助于互聯(lián)網(wǎng)和內部網(wǎng)應用迅捷開發(fā)的技術。.NET框架是微軟公司繼Windows DNA之后的新開發(fā)平臺。.NET框架是以一種采用系統(tǒng)虛擬機運行的編程平臺，以通用語言運行庫（Common Language Runtime）為基礎，支持多種語言（C#、VB.NET、C++、Python等）的開發(fā)。

【關鍵詞】.NET；技術原理；開發(fā)

本文簡述了.NET架構中關于套接字、網(wǎng)絡編碼等底層網(wǎng)絡編程原理，詳細介紹.NET中socket中的異步套接字的方法。

一、基本原理

（一）套接字，套接字是網(wǎng)絡通信的基石，是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信的基本操作單元。可以將Socket看作不同主機間的進程進行雙向通信的端點，它構成了單個主機內及整個網(wǎng)絡間的編程界面。Socket存在于通信域（為了處理一般的線程通過Socket通信而引人的一種抽象概念）中。Socket通常和同一個域中的Socket交換數(shù)據(jù)。當然，數(shù)據(jù)交換也可以穿越域的界限，但需要執(zhí)行某種特定的解釋程序。各種進程在這個域中相互之間利用Internet協(xié)議簇來進行通信。Socket有兩種不同的類型：流Socket和數(shù)據(jù)報Socket。應用程序一般在同一類型Socket之間進行通信。當然，只要底層的通信協(xié)議允許，不同類型的Socket之間也可以通信。

（二）網(wǎng)絡編程， Socket不僅有阻塞與非阻塞之分，還允許同步或異步方式進行操作。所謂同步方式，就是發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)分組之后，無需等待接收方響應，就接著發(fā)送下一個數(shù)據(jù)分組。異步方式是指當發(fā)送方發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組之后，一直等待接收方響應后，才接著發(fā)送下一個數(shù)據(jù)分組。

（三）網(wǎng)絡流，在網(wǎng)絡通信中，流是一個用于傳輸數(shù)據(jù)的對象。數(shù)據(jù)傳輸有兩個方向：如果數(shù)據(jù)從外部源傳輸?shù)綉贸绦蛑校瑒t為讀取流；如果數(shù)據(jù)從應用程序傳輸?shù)酵獠吭粗?，即為寫人流。其中，外部源可以是文件、網(wǎng)絡、管道或內存區(qū)域。流對外部數(shù)據(jù)源不做任何假設。通常，應盡可能地使用一個獨立的對象來傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以將數(shù)據(jù)傳輸過程和數(shù)據(jù)源分離，更容易切換數(shù)據(jù)源。

（四）IP地址與DNS解析，System.Net空間提供了一些與網(wǎng)絡基本操作息息相關的類。比較重要的是IPAddress ， Dns ， IPHostEntry ， IPEndEntry ，IPAddress類是一個描述IP地址的類。它的靜態(tài)方法Parse及TryParse可以將一個IP地址字符串實例化為一個IPAddress對象。Dns類是一個提供有關域名解析操作的靜態(tài)類。它將從網(wǎng)絡域名系統(tǒng)中獲取IP地址、主機名以及域名的對應關系，并將這些信息保存在一個IPHostEntry對象中。IPHostEntrv的主要屬性成員有AddressList， Aliases和HostName分別保存主機的IP地址、別名和域名。IPEndPoint類表示一個連接端點，即IP地址加上端口號構成的一個綁定。

（五）網(wǎng)絡編碼與解碼，由于使用多種編程語言開發(fā)的應用程序及多種支撐平臺在網(wǎng)絡這個混合體上運行，并且網(wǎng)絡中有多種編碼方法：ASCII ，Unicode ， UTF7 ， UTFS ， Big-Endian等，因此網(wǎng)絡編程中經(jīng)常要遇到編碼、解碼的操作。這種現(xiàn)狀需要一種將系統(tǒng)內碼轉換成網(wǎng)絡編碼的機制，以便應用程序能夠準確地讀寫數(shù)據(jù)。.NET架構的System.Text.Encoding類提供這種功能。

Encoding類提供了字符串、Unicode字符集和相應編碼的字節(jié)數(shù)組之間的轉換（轉換的數(shù)據(jù)必須連續(xù)）。事實上，應用程序一般使用Encode：和Decode：來進行轉換。Encoding類包含常用編碼的實例。開發(fā)者還可以在Encode：和Decoder的基礎上編寫自定義的編碼和解碼類來處理大量的數(shù)據(jù)轉換工作。

二、socket中的異步套接字的研究

（一）socket的建立

1. 構造socket

不管是同步還是異步套接字，都必須首先建立起socket，這是后面連接的基礎。socket構造函數(shù)如下：

public Socket （

AddressFamily addressFamily，

SocketType socketType，

ProtocolType protocolType

）

可以看到，里面有三個構造函數(shù)，每個參數(shù)其實都是一個枚舉值，第一個參數(shù)AddressFamily.InterNetwork說明我們采用IP 版本 4 的地址（現(xiàn)在都出版本6了）；第二個參數(shù)SocketType.Stream是說建立的socket支持可靠、雙向、基于連接的字節(jié)流，而不重復數(shù)據(jù)，也不保留邊界，此類型的 Socket 與單個對方主機進行通信，并且在通信開始之前需要遠程主機連接，Stream 使用傳輸控制協(xié)議 （Tcp） ProtocolType 和 InterNetworkAddressFamily。 第三個參數(shù)表名傳輸控制協(xié)議采用TCP。利用這三個參數(shù)就可以構造一個socket實例。我們常用的構造函數(shù)如下：

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

送信息至客戶端等等。

2.當服務器端與客戶端的連接建立之后，就可以在兩方交流數(shù)據(jù)。但客戶端和服務器端的程序都會等待socket的動作，也就說在在socket發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)過程中，兩方程序都會中止，一直等到發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)完畢才會繼續(xù)往下執(zhí)行。這種情況下，最明顯的表現(xiàn)就是：如果是winForm程序，窗口會表現(xiàn)出死機狀態(tài)，該狀態(tài)到程序往下繼續(xù)執(zhí)行的時候才會恢復。

（二）異步套接字

在同步里面，當接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，程序的進程是中止的，一直在等待，那么想要解決這個問題自然就會想到——接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)的時候程序繼續(xù)往下執(zhí)行就行了。 但是這樣問題就來了：接受或者發(fā)送數(shù)據(jù)完畢之后本來是想執(zhí)行一些針對這些數(shù)據(jù)或者另外相關的操作，現(xiàn)在不理會數(shù)據(jù)的接受或者發(fā)送的話，那我的這些想要的操作怎么去執(zhí)行？這個問題是這樣解決的：在該操作發(fā)生前定義該操作為之后的特定操作，服務器端希望在接收完客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)后再將該數(shù)據(jù)發(fā)送回給客戶端。那么，在這里我們就可以將把接收的數(shù)據(jù)發(fā)送回給客戶端作為一個操作，程序里面自然就是一個函數(shù)了，將這個函數(shù)定義為服務器端接收完數(shù)據(jù)之后立即執(zhí)行的函數(shù)。

服務器端代碼：

using System；

using System.Net；

using System.Net.Sockets；

using System.Text；

using System.Threading；

public class StateObject {

public Socket workSocket = null；

public const int BufferSize = 1024；

public byte[] buffer = new byte[BufferSize]；

public StringBuilder sb = new StringBuilder（）；

}

public class AsynchronousSocketListener {

public static ManualResetEvent allDone = new ManualResetEvent（false）；

public AsynchronousSocketListener（） {

}

public static void StartListening（） {

byte[] bytes = new Byte[1024]；

IPHostEntry ipHostInfo = Dns.Resolve（Dns.GetHostName（））；

IPAddress ipAddress = ipHostInfo.AddressList[0]；

IPEndPoint localEndPoint = new IPEndPoint（ipAddress， 11000）；

Socket listener = new Socket（AddressFamily.InterNetwork，

SocketType.Stream， ProtocolType.Tcp ）；

try {

listener.Bind（localEndPoint）；

listener.Listen（100）；

while （true） {

allDone.Reset（）；

Console.WriteLine（"Waiting for a connection..."）；

listener.BeginAccept（

new AsyncCallback（AcceptCallback），

listener ）；

allDone.WaitOne（）；

}

} catch （Exception e） {

Console.WriteLine（e.ToString（））；

}

Console.WriteLine（"＼nPress ENTER to continue..."）；

Console.Read（）；

}

public static void AcceptCallback（IAsyncResult ar） {

allDone.Set（）；

Socket listener = （Socket） ar.AsyncState；

Socket handler = listener.EndAccept（ar）；

StateObject state = new StateObject（）；

state.workSocket = handler；

handler.BeginReceive（ state.buffer， 0， StateObject.BufferSize， 0，

new AsyncCallback（ReadCallback）， state）；

}

public static void ReadCallback（IAsyncResult ar） {

String content = String.Empty；

StateObject state = （StateObject） ar.AsyncState；

Socket handler = state.workSocket；

int bytesRead = handler.EndReceive（ar）；

if （bytesRead > 0） {

state.sb.Append（Encoding.ASCII.GetString（

state.buffer，0，bytesRead））；

content = state.sb.ToString（）；

if （content.IndexOf（""） > -1） {

Console.WriteLine（"Read {0} bytes from socket. ＼n Data ： {1}"，

content.Length， content ）；

Send（handler， content）；

} else {

handler.BeginReceive（state.buffer， 0， StateObject.BufferSize， 0，

new AsyncCallback（ReadCallback）， state）；

}

}

}

private static void Send（Socket handler， String data） {

byte[] byteData = Encoding.ASCII.GetBytes（data）；

handler.BeginSend（byteData， 0， byteData.Length， 0，

new AsyncCallback（SendCallback）， handler）；

}

private static void SendCallback（IAsyncResult ar） {

try {

Socket handler = （Socket） ar.AsyncState；

int bytesSent = handler.EndSend（ar）；

Console.WriteLine（"Sent {0} bytes to client."， bytesSent）；

handler.Shutdown（SocketShutdown.Both）；

handler.Close（）；

} catch （Exception e） {

Console.WriteLine（e.ToString（））；

}

}

public static int Main（String[] args） {

StartListening（）；

return 0；

}

}

客戶端代碼：

public class AsynchronousClient {

private const int port = 11000；

private static ManualResetEvent connectDone =

new ManualResetEvent（false）；

private static ManualResetEvent sendDone =

new ManualResetEvent（false）；

private static ManualResetEvent receiveDone =

new ManualResetEvent（false）；

private static String response = String.Empty；

private static void StartClient（） {

try {

IPHostEntry ipHostInfo = Dns.Resolve（"host.contoso.com"）；

IPAddress ipAddress = ipHostInfo.AddressList[0]；

IPEndPoint remoteEP = new IPEndPoint（ipAddress， port）；

Socket client = new Socket（AddressFamily.InterNetwork，

SocketType.Stream， ProtocolType.Tcp）；

client.BeginConnect（ remoteEP，

new AsyncCallback（ConnectCallback）， client）；

connectDone.WaitOne（）；

Send（client，"This is a test"）；

sendDone.WaitOne（）；

Receive（client）；

receiveDone.WaitOne（）；

Console.WriteLine（"Response received ： {0}"， response）；

client.Shutdown（SocketShutdown.Both）；

client.Close（）；

} catch （Exception e） {

Console.WriteLine（e.ToString（））；

}

}

private static void ConnectCallback（IAsyncResult ar） {

try {

Socket client = （Socket） ar.AsyncState；

client.EndConnect（ar）；

Console.WriteLine（"Socket connected to {0}"，

client.RemoteEndPoint.ToString（））；

connectDone.Set（）；

} catch （Exception e） {

Console.WriteLine（e.ToString（））；

}

}

private static void Receive（Socket client） {

try {

StateObject state = new StateObject（）；

state.workSocket = client；

client.BeginReceive（ state.buffer， 0， StateObject.BufferSize， 0，

new AsyncCallback（ReceiveCallback）， state）；

} catch （Exception e） {

Console.WriteLine（e.ToString（））；

}

}

private static void ReceiveCallback（ IAsyncResult ar ） {

try {

StateObject state = （StateObject） ar.AsyncState；

Socket client = state.workSocket；

int bytesRead = client.EndReceive（ar）；

if （bytesRead > 0） {

state.sb.Append（Encoding.ASCII.GetString（state.buffer，0，bytesRead））；

client.BeginReceive（state.buffer，0，StateObject.BufferSize，0，

new AsyncCallback（ReceiveCallback）， state）；

} else {

if （state.sb.Length > 1） {

response = state.sb.ToString（）；

}

receiveDone.Set（）；

}

} catch （Exception e） {

Console.WriteLine（e.ToString（））；

}

}

private static void Send（Socket client， String data） {

byte[] byteData = Encoding.ASCII.GetBytes（data）；

client.BeginSend（byteData， 0， byteData.Length， 0，

new AsyncCallback（SendCallback）， client）；

}

private static void SendCallback（IAsyncResult ar） {

try {

Socket client = （Socket） ar.AsyncState；

int bytesSent = client.EndSend（ar）；

Console.WriteLine（"Sent {0} bytes to server."， bytesSent）；

sendDone.Set（）；

} catch （Exception e） {

Console.WriteLine（e.ToString（））；

}

}

public static int Main（String[] args） {

StartClient（）；

return 0；

}

}

三、結束語

任何技術的核心并不難，難就難在當該技術發(fā)展成熟以后為了各種需要而添加的枝枝蔓蔓，這些后期添加的東西一方面使技術的應用更加方便和穩(wěn)定，另一方面，對于學習該技術的人來說，增加了不少的學習成本和障礙。學習技術的理念就是，將其枝枝蔓蔓的不斷裁剪，一直到露出問題的最最核心，然后掌握這個核心，之后從該核心出發(fā)，順著問題的發(fā)展思路去學習，一切就是理所當然了。