C# 网络通讯核心知识点笔记
一、网络协议基础理论
1.1 OSI 七层参考模型
1.1.1 核心定义
OSI（Open System Interconnect，开放式系统互联）参考模型是 ISO（国际标准化组织）1985 年制定的网络互联框架，定义了七层网络结构，确保不同设备、系统间按统一规则传输数据，数据需经 “发送端层层向下封装→物理层传输→接收端层层向上解封装” 的流程传递。
1.1.2 七层结构与核心信息
| 层级 | 名称 | 核心功能 | 常用协议 / 技术 | 数据单位 |
|---|---|---|---|---|
| 7 | 应用层 | 为应用程序提供网络服务（如数据交互、请求响应） | HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS、Telnet | 应用数据 |
| 6 | 表示层 | 数据格式转换、加密解密、压缩解压（确保接收端能识别数据） | ASCII、UTF-8、Unicode、SSL/TLS、JPEG | 表示层数据 |
| 5 | 会话层 | 建立、管理、终止通信连接（如会话超时控制、连接恢复） | ADSP、RPC、SQI | 会话层数据 |
| 4 | 传输层 | 提供端到端（端口到端口）的可靠 / 不可靠传输，控制数据流量 | TCP、UDP、SPX | 段（TCP）/ 数据报（UDP） |
| 3 | 网络层 | 路由选择（确定数据传输路径）、IP 寻址（定位目标设备） | IP（IPv4/IPv6）、ICMP、ARP、RARP | 数据包 |
| 2 | 数据链路层 | 物理地址（MAC 地址）寻址、帧同步、差错检测（如 CRC 校验） | HDLC、PPP、IEEE 802.3（以太网）、WIFI | 帧 |
| 1 | 物理层 | 实现比特流（0/1 序列）与物理信号（电压、光信号）的转换，定义物理接口 | RS232、RS485、RJ-45、UART、V35 | 比特流 |
1.2 核心协议分类与重点协议解析
1.2.1 协议分类
传输层核心协议：TCP（可靠连接）、UDP（不可靠无连接）
应用层常用协议：HTTP（80 端口）、HTTPS（443 端口，基于 SSL/TLS 加密）、FTP（文件传输，21 端口）
串口协议：RS232（点对点，短距离）、RS485（多点通信，长距离抗干扰）、RS422（全双工，两点通信）
物理接口协议：RJ-45（网口，以太网标准）、UART（通用异步收发传输器，串口底层）
1.2.2 必须掌握的协议（重点）
| 协议 | 所属层级 | 核心特点 | 应用场景 | 关键参数 / 注意事项 |
|---|---|---|---|---|
| TCP | 传输层 | 面向连接、可靠（无丢失 / 无重复 / 有序）、基于字节流、延时高、资源占用多 | 聊天软件、文件传输（如 FTP）、HTTP | 需三次握手建立连接，四次挥手释放连接 |
| UDP | 传输层 | 无连接、不可靠（可能丢包 / 乱序）、基于数据报、延时低、资源占用少 | 视频直播、实时语音、物联网传感器 | 无需建立连接，直接发送，需自行处理丢包问题 |
| IP | 网络层 | 负责 IP 寻址（定位设备）、路由选择，无连接、不可靠 | 所有 TCP/UDP 数据的底层传输 | 分为 IPv4（32 位地址）和 IPv6（128 位地址） |
| HTTP | 应用层 | 无状态、基于请求 - 响应模式、明文传输（不安全） | 网页浏览、API 接口（如 RESTful） | 默认端口 80，请求方法：GET/POST/PUT/DELETE |
| HTTPS | 应用层 | HTTP+SSL/TLS 加密，提供身份认证和数据加密（安全） | 支付、登录、敏感数据传输 | 默认端口 443，需 SSL 证书验证 |
| RS232 | 物理层 | 点对点通信、传输距离短（<15 米）、抗干扰弱、单工 / 半双工 | 单片机与 PC 通信、老式设备调试 | 9 针 / 25 针接口，需匹配波特率、数据位、校验位 |
| RS485 | 物理层 | 多点通信（最多 32 个节点）、传输距离长（<1200 米）、抗干扰强、半双工 | 工业控制（如 PLC）、传感器组网 | 需终端电阻（120Ω）匹配，避免信号反射 |
1.2.3 需了解的协议
Telnet：应用层，远程登录协议（明文，不安全，多用于设备调试）
SMTP：应用层，邮件发送协议（配合 POP3/IMAP 接收邮件）
ARP：网络层，将 IP 地址转换为 MAC 地址（局域网内寻址）
RARP：网络层，将 MAC 地址转换为 IP 地址（如无盘工作站）
MIME：应用层，多用途互联网邮件扩展，定义邮件附件格式（如图片、文档）
二、TCP 深度解析
2.1 TCP 核心概念
定义：Transmission Control Protocol（传输控制协议），传输层协议，基于 TCP/IP 协议簇，提供可靠的端到端传输。
TCP 连接标识：由4 元组唯一确定 ——（源 IP 地址、源端口号、目的 IP 地址、目的端口号）。
TCP 报文结构：固定首部 20 字节 + 可选首部（0-40 字节），核心字段包括：
源端口 / 目的端口（各 2 字节）：定位应用程序；
序号（seq，4 字节）：标识当前报文段数据的第一个字节序号；
确认序号（ack，4 字节）：期望接收的下一个字节序号（仅 ACK=1 时有效）；
标志位（6 个）：SYN（建立连接请求）、ACK（确认）、FIN（释放连接）、RST（重置连接）、PSH（立即推送数据）；
窗口（2 字节）：流量控制，标识接收端可接收的最大字节数。
2.2 TCP 连接的 “三次握手” 与 “四次挥手”（面试重点）
2.2.1 三次握手（建立连接）
目的：确保客户端和服务器双方的发送、接收能力正常，同步序号。
第一次握手：客户端 → 服务器，发送报文：
SYN=1，seq=x（x 为客户端初始序号，如 100）；第二次握手：服务器 → 客户端，响应报文：
SYN=1，ACK=1，seq=y（服务器初始序号，如300），ack=x+1（确认收到客户端数据）；第三次握手：客户端 → 服务器，确认报文：
ACK=1，seq=x+1，ack=y+1（确认收到服务器数据）。
为什么需要三次握手？ 避免 “失效的连接请求” 导致服务器资源浪费：若仅两次握手，客户端发送的请求报文因网络延迟到达服务器，服务器误判为新连接并分配资源，而客户端已超时重发，导致服务器资源闲置。
2.2.2 四次挥手（释放连接）
目的：确保双方数据均已传输完成，安全释放连接（TCP 是全双工，需双向关闭）。
第一次挥手：客户端（数据传输完成）→ 服务器，发送
FIN=1，seq=x（客户端当前序号），表示客户端不再发送数据；第二次挥手：服务器 → 客户端，响应
ACK=1，ack=x+1，表示服务器确认收到关闭请求（此时服务器仍可向客户端发送数据）；第三次挥手：服务器（数据传输完成）→ 客户端，发送
FIN=1，seq=y（服务器当前序号），表示服务器不再发送数据；第四次挥手：客户端 → 服务器，响应
ACK=1，ack=y+1，表示客户端确认收到关闭请求（客户端需等待 2MSL 后彻底释放连接，确保服务器收到确认）。
2.3 TCP 连接的三个阶段
连接建立阶段：通过三次握手完成，双方进入 “已建立连接” 状态；
数据传输阶段：基于字节流传输数据，通过序号、确认序号保证可靠性，通过窗口机制进行流量控制；
连接释放阶段：通过四次挥手完成，双方释放资源，断开连接。
三、UDP 深度解析
3.1 UDP 核心概念
定义：User Datagram Protocol（用户数据报协议），传输层协议，无连接、不可靠的数据包传输。
UDP 报文结构：固定首部 8 字节，仅包含源端口、目的端口、长度、检验和，结构简单，传输效率高。
核心特点：
无连接：发送前无需建立连接，直接发送数据报；
不可靠：不保证数据送达、不保证顺序、不重传丢失数据；
面向数据报：每个数据报独立，大小限制（通常 < 65507 字节）；
低延时：无握手 / 挥手过程， overhead 小，适合实时场景。
3.2 TCP 与 UDP 的核心区别
| 对比维度 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接方式 | 面向连接（三次握手建立，四次挥手释放） | 无连接（直接发送） |
| 可靠性 | 可靠（无丢失、无重复、有序） | 不可靠（可能丢包、乱序） |
| 数据传输单位 | 字节流（无边界，需应用层定义分隔） | 数据报（有边界，一次发送一个数据报） |
| 流量控制 | 支持（滑动窗口机制） | 不支持（需应用层自行处理） |
| 拥塞控制 | 支持（慢启动、拥塞避免等算法） | 不支持（可能导致网络拥塞） |
| 延时 | 高（握手 / 确认 / 重传耗时） | 低（无额外耗时） |
| 资源占用 | 高（需维护连接状态、序号、窗口等） | 低（无连接状态，结构简单） |
| 应用场景 | 文件传输、聊天、HTTP/HTTPS | 视频直播、实时语音、物联网传感器 |
四、Socket 与 C# 网络编程
4.1 Socket 核心概念
定义：套接字（Socket）是应用层与 TCP/IP 协议簇通信的中间抽象层，封装了 TCP/UDP 的底层细节，为开发者提供统一的 API 接口。
Socket 与 TCP/UDP 的关系：Socket 不是协议，而是 “工具”—— 通过 Socket 可以实现 TCP 的连接式通信，也可以实现 UDP 的无连接通信。
C# 中的 Socket 封装：.NET Framework 提供了更易用的封装类，推荐优先使用：
TcpListener：TCP 服务器端，用于监听客户端连接；TcpClient：TCP 客户端，用于与 TCP 服务器建立连接并传输数据；UdpClient：UDP 客户端 / 服务器端，用于 UDP 数据报的发送与接收。
4.2 C# 中 TCP 通讯的核心流程
4.2.1 TCP 服务器端（TcpListener）
创建
TcpListener实例，绑定 IP 地址和端口（如new TcpListener(IPAddress.Any, 8888)）；调用
Start()方法开始监听客户端连接；调用
AcceptTcpClient()方法（阻塞），等待客户端连接，返回TcpClient实例（代表与该客户端的连接）；通过
TcpClient.GetStream()获取网络流（NetworkStream），用于读写数据；数据传输完成后，关闭
NetworkStream、TcpClient，调用TcpListener.Stop()停止监听。
4.2.2 TCP 客户端（TcpClient）
创建
TcpClient实例，调用Connect(IPAddress, 端口)连接服务器；通过
GetStream()获取网络流，用于向服务器发送 / 接收数据；数据传输完成后，关闭网络流和
TcpClient。
4.3 C# 中 UDP 通讯的核心流程
UDP 无连接，客户端和服务器端逻辑类似，均使用UdpClient：
创建
UdpClient实例，绑定本地端口（服务器端需固定端口，客户端可随机）；发送数据：调用
Send(byte[] data, int length, IPEndPoint remoteEP)，指定目标 IP 和端口；接收数据：调用
Receive(ref IPEndPoint remoteEP)（阻塞），接收来自指定端点的数据，返回字节数组；通讯结束后，关闭
UdpClient。
注意：UDP 接收需通过
IPEndPoint获取发送方的地址和端口，且需异步或多线程处理，避免阻塞主线程（如Task.Run(() => 接收逻辑)）。
4.4 Socket 通讯的关键注意事项
TCP 服务器的多客户端处理：单个
TcpListener一次只能处理一个客户端，需通过多线程（如ThreadPool.QueueUserWorkItem）或异步（AcceptTcpClientAsync）处理多个客户端连接；数据粘包 / 拆包：TCP 是字节流，可能出现 “粘包”（多个发送的数据合并接收）或 “拆包”（一个发送的数据分多次接收），需在应用层定义数据格式（如 “长度 + 数据”）解决；
UDP 数据报大小：UDP 数据报最大长度为 65507 字节（IP 首部 20 字节 + UDP 首部 8 字节），超过需在应用层分片；
资源释放：网络流、TcpClient/UdpClient、TcpListener 需在使用后及时关闭，避免资源泄漏（推荐使用
using语句自动释放）。
五、核心知识点总结
网络协议框架：OSI 七层模型是基础，重点关注传输层（TCP/UDP）、应用层（HTTP/HTTPS）、物理层（RS232/RS485/RJ-45）；
TCP 核心：面向连接、可靠传输，三次握手建立连接，四次挥手释放连接，4 元组标识连接；
UDP 核心：无连接、不可靠传输，低延时，适合实时场景，需应用层处理可靠性问题；
C# 编程：优先使用
TcpListener/TcpClient/UdpClient封装类，避免直接操作底层 Socket；TCP 需处理多客户端和粘包，UDP 需注意数据报大小和异步接收；协议选择原则：对可靠性要求高选 TCP，对延时要求高选 UDP；短距离设备通信选 RS232，长距离工业组网选 RS485，以太网通信选 RJ-45。