清晰易懂TCP通信原理解析(附demo、简易TCP通信库源码、解决沾包问题等)
清晰易懂TCP通信原理解析(附demo、简易TCP通信库源码、解决沾包问题等)
IT周见智 发表于3年前
清晰易懂TCP通信原理解析(附demo、简易TCP通信库源码、解决沾包问题等)
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目录

  • 说明
  • TCP与UDP通信的特点
  • TCP中的沾包现象
  • 自定义应用层协议
  • TCPLibrary通信库介绍
  • Demo演示
  • 未完成功能
  • 源码下载

说明

我前面博客中有多篇文章讲到了.NET中的网络编程,与TCP和UDP相关的有:

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

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

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

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

另外也有一些讲的是通过Socket模拟浏览器访问Web服务器,或者模拟Web服务器接收浏览器的请求:

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

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

(之前文章的排版不太好,不好意思!)

之所有对.NET中网络编程写得比较多,主要原因有两个,一是我公司做的项目多数跟通信这个有关;二是研究Socket通信工作模式有益于对软件架构设计的理解,因为它里面到处都使用到了“泵”结构,而这个结构几乎是所有框架、大型模块所必需具备的。另外,工作之余写的一本书(即将要出版)中有一章专门讲到了“泵”结构在软件系统中的作用。

这次写这篇文章主要是看了网上一个人提的有关TCP编程的问题,所以就再次整理了一下这方面的知识,并且做了一个“简易通信库”发出来给大家看看,代码很简单,功能也不是特别全,但是具备很好的扩展性,基本上可以用来说明.NET中TCP通信的工作模式。

 

TCPUDP通信的特点

关于对这两者的比较,网上一搜一大片,讲得也比较清楚。TCP通信就像打电话,双方通信之前需要建立连接、双方就位后方可开始会话;而UDP通信就像发短信,一方给另一方发送数据前,并不需要对方就位。

上面两幅图显示了TCP与UDP通信过程建立的区别。

除了它们通信过程建立的不同之外,两者还有以下区别:

  • TCP通信特点

1)可靠性

   通信双方均就位,一方发送数据,另一方收到后会做出回应,如果超时未发送成功,会自动重发,数据不会丢失。

2)顺序性;

   既然数据是按顺序走在建立的一条隧道中,那么数据遵循“先走先达到”的规则,并且隧道中的数据以“流”的形式传输,发送方发送的前后两次数据之间没有边界,需要接收方自己根据事先规定好的“协议”去判断数据边界。

3)高损耗。

   “高损耗”包括机器性能损耗高、宽带流量损耗高。因为通信双方时刻需要维持着连接的存在,这必然会损耗通信双方主机性能,要想维持隧道的通畅,通信双方必须不断地发送检测包和应答包,同时,它还支持数据重发等数据纠错功能,这些都将导致网络流量的增加。

 

  • UDP通信特点

1)不可靠性;

   既然无连接,发送方只管发送数据,而不管对方是否能够正确地接收到数据,更不负责数据超时重发等功能。

2)无序性;

   数据以“数据报”的形式发送,可以把“数据报”看成是一个“包”。如果把TCP传输数据比如成“河里的流水”,那么UDP传输数据就是‘邮局寄信’。发送方先发送的数据可能后到达,后发送的数据可能先到达,这个跟短消息类似。

3)低损耗。

   “低损耗”包括机器性能损耗低、宽带流量损耗低。UDP通信不需要维持一个连接的存在,所以它不需要消耗额外的机器性能。同时它也没有像TCP通信那样为了保持隧道的通畅,而必须不停地发送检测包和应答包,更不会进行一些数据检测纠错、重发等行为。

这次我们只讨论TCP通信。

 

TCP通信中的“沾包”现象

上面提到过,TCP通信中,数据是以“流”的形式传输的。前一次发送的数据和后一次发送的数据之间并没有明显的界限,这就会出现一个问题:当你收到一部分数据时,你无法判断接收到的数据是否是完整的?

如上图,发送方发送三次数据,而接收方可能一共分四次接收。并且每次接收到的数据量不确定(虽然每次收到的数据不确定,但是将四次接收到的数据拼接起来,与发送时的一致)。这样以来,当我们每次收到一份数据时,我们无法轻易判断(几乎不能)收到的数据是否完整(是否可以正确地被处理)。

以上现象我们称之为“沾包”。TCP通信过程中,要想解决“沾包”问题,我们必须人工采取一些措施,比如在发送数据时遵循一些“规则”,在接收到数据时,再按照相同的“规则”去解析数据,最终得到一份完整的数据,并进行正确的处理。没错,这里说的“规则”便是我们通常听到的“协议”。

关于协议,讲到的地方也很多。简单的说,协议就是一种“数据结构”,合作双方必须同时按照相同的数据结构发送/接收数据,比如传输层的TCP/UDP协议,又比如应用层的HTTP/FTP等协议。B/S结构系统使用到的协议见下图:

在TCP通信中,在发送和接收数据的时候,如果我们遵循事先定义的一种“协议”(属于一种应用层协议)。比如,在发送数据时,按照“数据头(4Byte)+内容长度(4Byte)+内容正文(NByte)+附加信息(8Byte)”这种形式去“格式化”需要发送的数据;同理,在接收到数据后,按照这种形式去“反格式化”数据,这样我们便可以判断数据边界,轻松得到一条完整数据。

 

自定义应用层协议

是的。我们自己完全可以定义一个类似HTTP这样的应用层协议,只要你能力足够强,系统足够大。今天在这里,我只举个简单的例子,假设一个TCP通信系统中,客户端连接上服务器后,客户端向服务器发送一个字符串,并发送一个字符串转换指令(比如大小写转换、除去特殊字符等指令),服务器接收到数据后,按照对应的指令,将字符串转换后发送回给客户端。那么这里的应用层协议可以这样设计:

 字符串转换指令

序号

指令值(byte)

说明

1

0x01

将字符串中小写字符转换成大写

2

0x02

将字符串中大写字符转换成小写

3

0x03

去掉字符串中的百分号(%)字符

4

0x04

将字符串中的百分号(%)替换为空格

如上表所示,假设一共有四种字符串转换请求,那么我们可以按下面图设计应用层协议的数据结构:

如上图所示,开头一个字节代表字符串转换指令类型,后续四个字节存放一个Int32的整型数据,表示字符串的长度(字符串采用Unicode编码),最后N个字节表示字符串内容。数据发送方必须按照此协议格式发送数据,数据接收方必须按照此协议格式接收数据。

发送数据时按照协议格式化数据很简单,但是,接收数据后,按照协议去解析数据该怎样呢?事实上,这个相对来讲稍微复杂一点。我们可以将每次接收到的数据(字节流)写入一个缓冲区,然后判断缓冲区中是否存在一条完整的数据,如果存在,则处理这条完整的数据;否则,继续接收数据,将接收到的数据再次写入缓冲区...以此循环。

 

TCPLibrary通信库介绍

其实我只是将一些代码单独拿出来生成了一个dll,这部分代码可以为我们搭建起TCP通信的框架,包括服务端侦听、(服务端/客户端)接收数据、上下线、消息处理并通知Application以及“沾包”问题处理等等。功能并不全面,如果要拿去实际项目中使用还需要自己完善,文章末会列出未完成的功能。

TCP通信过程建立之后,大概结构如下:

整个通信库中,只包含5个抽象类,以及5个默认实现类(所以说简易):

使用该通信库的前提是要定义好程序使用到的“协议”,然后重点实现ZMessage.RawData属性和ZDataBuffer.TryReadMessage方法,前者可以按照协议格式化需要发送的数据,后者可以按照协议解析一条完整的消息。库中包含5个默认实现类(以Base开头的),它默认使用以下的协议进行通信:

其中,BaseDataBuffer.TryReadMessage方法具体实现为:

 1         /// <summary>
 2         /// 按照规定协议,重写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();  //读取消息类型
13                     int msglength = br.ReadInt32();  //读取消息长度
14                     if (_length - 8 >= msglength)  //如果缓冲区中存在一条完整消息,则读取
15  { 16                         byte[] msgcontent = br.ReadBytes(msglength);  //读取消息内容
17                         BaseMessage bm = new BaseMessage(msgtype, msgcontent); //还原成一条完整的消息
18                         Remove(8 + msglength);  //注意! 移除已读数据
19 
20                         return bm;  //返回读取到的消息
21  } 22                     else
23  { 24                         return null; 25  } 26  } 27  } 28             else
29  { 30                 return null; 31  } 32         }
View Code

BaseMessage.RawData属性具体的实现为:

 1         /// <summary>
 2         /// 按照规定协议,重写RawData属性  3         /// </summary>
 4         public override byte[] RawData  5  {  6             get
 7  {  8                 byte[] rawdata = new byte[4 + 4 + MsgContent.Length];  //消息类型 + 消息长度 + 消息内容
 9                 using (MemoryStream ms = new MemoryStream(rawdata)) 10  { 11                     BinaryWriter bw = new BinaryWriter(ms); 12                     bw.Write(MsgType);  //先写入MsgType
13                     bw.Write(MsgContent.Length);  //再写入MsgContent的长度
14                     bw.Write(MsgContent); //最后写入消息内容
15                     return rawdata; 16  } 17  } 18         }
View Code

可以看到,上面一个按照协议格式化数据,而另一个按照协议解析数据。它们两个完全遵守同一个协议。

 

Demo演示

使用TCPLibrary中的默认实现类(以Base开头的类型),我做了一个简单的Demo。该Demo可以完成字符串、可序列化对象(图片)的发送与接收。Demo源码很简单:

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务?器¡Â启?动¡¥,ê?监¨¤听¬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

可以看到,使用起来很简单。注册事件后,既可以开始运行了。

下面可以看一下Demo截图:

注意,这个Demo只是利用库中的默认实现类来完成的。你完全可以自己定义一个协议,按照你自己的方式发送数据,比如“头(4Byte)+是否加密(1Byte)+发送方程序版本(8Byte)+消息长度(4Byte)+消息内容(NByte)+附加信息(8Byte)”这种方式发送数据/接收数据。只要你正确的实现了上面强调的方法和属性。

 

未完成功能

刚开始就说过,TCPLibrary功能不足,很多功能都没有。列举几个如下

1.线程安全

2.心跳检测

3.都只有开始,没有结束的功能

4.。。。

可以把源码下下来,自己尝试补充这些功能。

 

源码下载

下载地址:http://files.cnblogs.com/xiaozhi_5638/TCPDemo.rar

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