Socket详解

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Socket详解

1、基础概念

（1）概念

• Socket位于应用层与传输层之间，作为应用程序与TCP/IP协议栈的桥梁。
• 通过 IP地址 + 协议类型（TCP/UDP）+ 端口号 三元组唯一标识网络中的进程。
• 在C#中通过 System.Net.Sockets 命名空间下的 Socket 类实现。
• 计算机网络相关知识请参考：https://blog.csdn.net/liyou123456789/article/details/122731144

（2）通信协议支持

特性	TCP Socket	UDP Socket
连接方式	面向连接（可靠传输）	无连接（不可靠）
数据保证	有序、不丢失	可能乱序、丢失
适用场景	文件传输、网页访问（HTTP）	视频流、实时游戏
复杂度	高（需维护连接状态）	低（轻量级）

（3）应用场景

• 即时通讯工具（如微信、QQ）：基于TCP保证消息可靠送达，通过长连接实现实时双向通信。
• Web服务器（HTTP服务）：HTTP协议底层依赖TCP Socket，服务器监听80端口处理请求。
• 物联网设备控制：设备作为Socket客户端定时上报数据，服务器远程发送指令。
• 实时数据推送：服务端主动向客户端推送消息（如股票行情），需WebSocket等基于Socket的扩展。

2、通信流程

（1）流程图

（2）服务端

// 初始化Socket 
Socket serverSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
// 绑定端口并监听 
IPEndPoint localEP = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 9000);
serverSocket.Bind(localEP);
serverSocket.Listen(10); // 允许10个连接排队 // 异步接受连接 
serverSocket.BeginAccept(new AsyncCallback(OnClientConnected), null);// 处理客户端连接
private void OnClientConnected(IAsyncResult ar) {Socket clientSocket = serverSocket.EndAccept(ar);// 启动新线程处理通信 Thread clientThread = new Thread(HandleClient);clientThread.Start(clientSocket);
}

（3）客户端

Socket clientSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
// 连接服务器 
clientSocket.Connect("127.0.0.1", 9000); // 异步接收数据
byte[] buffer = new byte[1024];
clientSocket.BeginReceive(buffer, 0, buffer.Length, SocketFlags.None, new AsyncCallback(OnDataReceived), buffer);

（4）关键技术

• 异步通信模型
  • 原理：使用 BeginAccept/BeginReceive 避免阻塞主线程，通过回调函数处理事件。
  • 优势：支持高并发，适用于服务端处理多客户端请求。
• 数据边界处理
  • TCP粘包问题：需自定义协议（如消息头声明长度）。
  • UDP数据报：天然有边界，但需处理丢包和乱序。
• 跨线程UI更新 ：WinForm中必须通过 Control.Invoke 避免线程冲突：

this.Invoke((MethodInvoker)delegate {txtChatBox.Text += "收到消息: " + message;
});

（5）注意事项

• 防止资源泄漏：必须显式关闭Socket

socket.Shutdown(SocketShutdown.Both); 
socket.Close();

• 端口占用问题：服务端关闭后需等待2MSL（约1-4分钟）才能复用端口，可通过设置选项解决：

socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.ReuseAddress, true);

• 数据编码与解析：网络字节序需统一（大端序），文本数据建议用JSON/Protobuf格式化。
• 调试工具推荐
  • Wireshark：抓包分析协议细节。
  • 日志记录：关键操作（连接/断开/异常）写入日志文件。
• 性能优化
  • 使用缓冲区池（Buffer Pool）减少内存分配开销。
  • 异步IO配合 SocketAsyncEventArgs 替代APM模型（更高性能）。

3、聊天室功能

（1）项目概述

• net 版本：net8

（2）服务端（控制台）

using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;namespace Server
{internal class Program{static List<Socket> clientSockets = new List<Socket>();static readonly object lockObj = new object();static void Main(){const int PORT = 3000;Socket serverSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp);// 绑定端口并监听 IPEndPoint localEP = new IPEndPoint(IPAddress.Any, PORT);serverSocket.Bind(localEP);serverSocket.Listen(10);Console.WriteLine($"服务器启动，监听端口 {PORT}...");// 异步接受客户端连接while (true){Socket clientSocket = serverSocket.Accept();lock (lockObj) clientSockets.Add(clientSocket);Console.WriteLine($"客户端接入: {clientSocket.RemoteEndPoint}");// 为每个客户端创建独立线程Thread clientThread = new Thread(() => HandleClient(clientSocket));clientThread.Start();}}static void HandleClient(Socket clientSocket){byte[] buffer = new byte[1024];try{while (true){int bytesRead = clientSocket.Receive(buffer);if (bytesRead == 0) break;  // 客户端断开连接string message = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead);Console.WriteLine($"收到消息: {message}");// 广播消息给所有客户端BroadcastMessage(message, clientSocket);}}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"错误: {ex.Message}");}finally{lock (lockObj) clientSockets.Remove(clientSocket);clientSocket.Close();Console.WriteLine($"客户端断开: {clientSocket.RemoteEndPoint}");}}static void BroadcastMessage(string message, Socket senderSocket){byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(message);lock (lockObj){foreach (Socket client in clientSockets){if (client != senderSocket && client.Connected){try{client.Send(data);}catch { /* 忽略发送失败的客户端 */ }}}}}}
}

（3）客户端（控制台）

using System.Net.Sockets;
using System.Text;namespace Client
{internal class Program{static Socket clientSocket;static void Main(){const string SERVER_IP = "127.0.0.1";const int PORT = 3000;clientSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork,SocketType.Stream,ProtocolType.Tcp);try{clientSocket.Connect(SERVER_IP, PORT);Console.WriteLine("已连接到服务器，输入消息开始聊天 (输入exit退出)");// 启动接收线程 Thread receiveThread = new Thread(ReceiveMessages);receiveThread.IsBackground = true;receiveThread.Start();// 主线程处理输入发送 while (true){string input = Console.ReadLine();if (input.ToLower() == "exit") break;byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(input);clientSocket.Send(data);}}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"连接错误: {ex.Message}");}finally{clientSocket?.Close();}}static void ReceiveMessages(){byte[] buffer = new byte[1024];try{while (true){int bytesRead = clientSocket.Receive(buffer);if (bytesRead == 0) break;string message = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead);Console.WriteLine($"收到: {message}");}}catch{Console.WriteLine("与服务器断开连接");}}}
}

（4）核心功能说明

• 服务端机制
  • 使用Accept()阻塞监听客户端连接
  • 为每个客户端创建独立线程处理通信
  • 通过客户端列表clientSockets实现消息广播
  • 线程锁lockObj保证多线程安全
• 客户端机制
  • 主线程处理用户输入和发送
  • 后台线程持续接收服务器消息
  • 使用Encoding.UTF8解决中文乱码问题
• 广播策略
  • 遍历所有客户端Socket发送消息
  • 跳过消息发送者自身(senderSocket)
  • 异常处理避免断开客户端导致崩溃

（5）使用步骤

• 启动服务端程序（监听3000端口）

• 启动多个客户端程序（连接127.0.0.1:3000）

• 在任意客户端输入消息，其他客户端将实时接收

4、大文件传输

（1）项目概述

• 本Socket文件传输程序实现了高效、可靠的文件传输功能，包含三个核心特性：基于SHA256的分片校验机制、断点续传功能以及传输速度优化。

（2）接收端（控制台）

using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;namespace FileReceiver
{internal class Program{private const int BufferSize = 64 * 1024; // 64KB 分片大小private const int Port = 4000;private static readonly string SavePath = @"D:\ReceivedFiles\";static void Main(){Directory.CreateDirectory(SavePath);// 创建监听SocketTcpListener listener = new TcpListener(IPAddress.Any, Port);listener.Start();Console.WriteLine($"文件接收服务已启动，监听端口: {Port}");while (true){// 接受客户端连接 using (TcpClient client = listener.AcceptTcpClient())using (NetworkStream stream = client.GetStream()){Console.WriteLine($"客户端已连接: {client.Client.RemoteEndPoint}");// 传输速度优化client.NoDelay = true; // 禁用Nagle算法client.ReceiveBufferSize = 64 * 1024; // 64KB缓冲区// 接收文件头信息（文件名+文件大小）byte[] headerBuffer = new byte[512];int headerSize = stream.Read(headerBuffer, 0, headerBuffer.Length);string header = Encoding.UTF8.GetString(headerBuffer, 0, headerSize);// 解析文件元数据string[] headerParts = header.Split('|');if (headerParts.Length < 3){Console.WriteLine("无效文件头格式");continue;}string fileName = headerParts[1];long fileSize = long.Parse(headerParts[2]);string filePath = Path.Combine(SavePath, fileName);// 处理断点续传请求bool isResume = false;long resumePosition = 0;if (headerParts[0] == "RESUME"){isResume = true;resumePosition = long.Parse(headerParts[3]);Console.WriteLine($"收到断点续传请求: {fileName}，从 {resumePosition} 字节处继续接收");// 检查文件是否存在且大小正确if (File.Exists(filePath)){FileInfo fileInfo = new FileInfo(filePath);if (fileInfo.Length == resumePosition){// 发送确认消息byte[] confirmBytes = Encoding.UTF8.GetBytes("OK");stream.Write(confirmBytes, 0, confirmBytes.Length);Console.WriteLine($"开始接收: {fileName} ({fileSize}字节)，继续从 {resumePosition} 字节处接收");}else{// 文件大小不匹配，重新开始传输byte[] rejectBytes = Encoding.UTF8.GetBytes("REJECT");stream.Write(rejectBytes, 0, rejectBytes.Length);Console.WriteLine("文件大小不匹配，将重新开始传输");isResume = false;}}else{// 文件不存在，重新开始传输byte[] rejectBytes = Encoding.UTF8.GetBytes("REJECT");stream.Write(rejectBytes, 0, rejectBytes.Length);Console.WriteLine("文件不存在，将重新开始传输");isResume = false;}}else if (headerParts[0] == "FILE"){Console.WriteLine($"开始接收: {fileName} ({fileSize}字节)");}else{Console.WriteLine("无效的文件头类型");continue;}// 分片接收文件内容FileMode fileMode = isResume ? FileMode.Append : FileMode.Create;using (FileStream fs = new FileStream(filePath, fileMode))using (SHA256 sha256 = SHA256.Create()){byte[] buffer = new byte[BufferSize];long totalReceived = isResume ? resumePosition : 0;// 如果是断点续传，记录当前文件大小作为起始接收位置if (isResume){fs.Seek(0, SeekOrigin.End);}while (totalReceived < fileSize){// 读取校验和长度byte[] checksumLengthBytes = new byte[sizeof(int)];int checksumLengthRead = stream.Read(checksumLengthBytes, 0, sizeof(int));if (checksumLengthRead != sizeof(int)){Console.WriteLine("接收校验和长度失败");break;}int checksumLength = BitConverter.ToInt32(checksumLengthBytes, 0);// 读取校验和byte[] receivedChecksum = new byte[checksumLength];int checksumRead = stream.Read(receivedChecksum, 0, checksumLength);if (checksumRead != checksumLength){Console.WriteLine("接收校验和失败");break;}// 读取数据长度byte[] dataLengthBytes = new byte[sizeof(int)];int dataLengthRead = stream.Read(dataLengthBytes, 0, sizeof(int));if (dataLengthRead != sizeof(int)){Console.WriteLine("接收数据长度失败");break;}int dataLength = BitConverter.ToInt32(dataLengthBytes, 0);// 读取实际数据int bytesRead = stream.Read(buffer, 0, dataLength);if (bytesRead != dataLength){Console.WriteLine("接收数据失败");break;}// 验证校验和byte[] computedChecksum = sha256.ComputeHash(buffer, 0, bytesRead);bool checksumMatch = receivedChecksum.SequenceEqual(computedChecksum);if (!checksumMatch){Console.WriteLine("校验和不匹配，传输错误");break;}// 写入文件fs.Write(buffer, 0, bytesRead);totalReceived += bytesRead;// 显示进度 Console.Write($"\r进度: {totalReceived * 100 / fileSize}%");}fs.Flush();}Console.WriteLine($"\n文件接收完成: {filePath}");}}}}
}

（3）发送端（控制台）

using System.Net.Sockets;
using System.Security.Cryptography;
using System.Text;namespace FileSender
{internal class Program{private const int BufferSize = 64 * 1024; // 64KB 分片大小private const int Port = 4000;private const string ServerIP = "127.0.0.1";static void Main(){string filePath = "test_file.txt";if (!File.Exists(filePath)){Console.WriteLine("文件不存在");return;}Console.WriteLine($"使用测试文件: {filePath}");FileInfo fileInfo = new FileInfo(filePath);string fileName = fileInfo.Name;long fileSize = fileInfo.Length;// 计算分片数量int totalChunks = (int)Math.Ceiling((double)fileSize / BufferSize);try{using (TcpClient client = new TcpClient(ServerIP, Port))using (NetworkStream stream = client.GetStream()){// 传输速度优化client.NoDelay = true; // 禁用Nagle算法client.SendBufferSize = 64 * 1024; // 64KB缓冲区// 检查是否需要断点续传string tempFilePath = Path.Combine(Path.GetTempPath(), $"{fileName}.temp");long startPosition = 0;if (File.Exists(tempFilePath)){// 读取上次传输的位置using (BinaryReader reader = new BinaryReader(File.OpenRead(tempFilePath))){startPosition = reader.ReadInt64();}if (startPosition < fileSize){Console.WriteLine($"检测到未完成的传输，将从 {startPosition} 字节处继续传输");// 发送断点续传请求string resumeHeader = $"RESUME|{fileName}|{fileSize}|{startPosition}";byte[] resumeHeaderBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(resumeHeader);stream.Write(resumeHeaderBytes, 0, resumeHeaderBytes.Length);// 等待服务器确认byte[] confirmBuffer = new byte[10];stream.Read(confirmBuffer, 0, confirmBuffer.Length);string confirm = Encoding.UTF8.GetString(confirmBuffer).Trim();if (confirm != "OK"){Console.WriteLine("服务器不支持断点续传，将重新开始传输");startPosition = 0;}}else{Console.WriteLine("文件已传输完成，无需再次传输");return;}}// 如果不是断点续传，则发送完整的文件头if (startPosition == 0){string header = $"FILE|{fileName}|{fileSize}";byte[] headerBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(header);stream.Write(headerBytes, 0, headerBytes.Length);}Console.WriteLine($"开始发送: {fileName} ({fileSize}字节)");// 分片发送文件内容using (FileStream fs = File.OpenRead(filePath))using (SHA256 sha256 = SHA256.Create()){// 如果是断点续传，跳转到上次传输的位置if (startPosition > 0){fs.Seek(startPosition, SeekOrigin.Begin);}byte[] buffer = new byte[BufferSize];int bytesRead;long totalSent = startPosition;// 创建临时文件记录传输进度using (BinaryWriter progressWriter = new BinaryWriter(File.Open(tempFilePath, FileMode.Create))){while ((bytesRead = fs.Read(buffer, 0, buffer.Length)) > 0){// 增加分片校验机制byte[] checksum = sha256.ComputeHash(buffer, 0, bytesRead);stream.Write(BitConverter.GetBytes(checksum.Length), 0, sizeof(int));stream.Write(checksum, 0, checksum.Length);stream.Write(BitConverter.GetBytes(bytesRead), 0, sizeof(int));stream.Write(buffer, 0, bytesRead);totalSent += bytesRead;// 保存传输进度progressWriter.Seek(0, SeekOrigin.Begin);progressWriter.Write(totalSent);progressWriter.Flush();// 显示进度 Console.Write($"\r进度: {totalSent * 100 / fileSize}%");}stream.Flush();}// 传输完成后删除临时文件if (totalSent == fileSize && File.Exists(tempFilePath)){File.Delete(tempFilePath);}}Console.WriteLine("\n文件发送完成");}}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"传输错误: {ex.Message}");}}}
}

（4）核心功能说明

• 分片校验机制
  • 功能说明：使用SHA256加密算法对每个数据分片进行校验，确保文件传输的完整性和可靠性。
  • 发送端（FileSender）实现：
    • 在发送每个数据分片前，使用SHA256算法计算该分片的校验和
    • 按照固定格式发送数据：先发送校验和长度，然后是校验和本身，接着是数据长度，最后是实际数据内容
    • 使用64KB作为分片大小，既保证了传输效率，也确保了校验准确性
  • 接收端（FileReceiver）实现：
    • 按照发送端定义的格式接收数据：先接收校验和长度，然后接收校验和，接着接收数据长度，最后接收实际数据
    • 使用相同的SHA256算法计算接收到的数据分片的校验和
    • 将计算得到的校验和与接收到的校验和进行比对，确保数据完整性
    • 如果校验失败，可触发重传机制（当前版本未实现自动重传）
  • 代码实现关键点：

// 发送端计算和发送校验和
byte[] checksum = sha256.ComputeHash(buffer, 0, bytesRead);
stream.Write(BitConverter.GetBytes(checksum.Length), 0, sizeof(int));
stream.Write(checksum, 0, checksum.Length);
stream.Write(BitConverter.GetBytes(bytesRead), 0, sizeof(int));
stream.Write(buffer, 0, bytesRead);// 接收端接收和验证校验和
// 读取校验和长度、校验和、数据长度和实际数据
// 计算接收到数据的校验和并与发送的校验和比对

• 断点续传功能
  • 功能说明：在文件传输过程中如果发生中断（如网络故障、程序崩溃等），支持从中断位置继续传输，而无需重新开始。
  • 发送端（FileSender）实现：
    • 使用临时文件记录每次传输的进度位置
    • 程序启动时检查是否存在未完成的传输任务
    • 如果存在未完成传输，发送特殊的RESUME头信息给接收端，包含文件名、总大小和期望的起始位置
    • 等待接收端确认是否可以继续传输
    • 如果接收端同意继续，从指定位置开始读取和发送文件内容
    • 传输完成后自动删除临时进度文件
  • 接收端（FileReceiver）实现：
    • 解析接收到的文件头信息，区分普通传输请求（FILE）和断点续传请求（RESUME）
    • 对于断点续传请求，检查目标文件是否存在且大小与请求的起始位置匹配
    • 根据检查结果，向发送端发送确认（OK）或拒绝（REJECT）响应
    • 如果确认继续传输，使用FileMode.Append模式打开文件，并从文件末尾开始写入数据
  • 代码实现关键点：

// 发送端发送断点续传请求
string tempFilePath = Path.Combine(Path.GetTempPath(), $"{fileName}.temp");
if (File.Exists(tempFilePath))
{using (BinaryReader reader = new BinaryReader(File.OpenRead(tempFilePath))){startPosition = reader.ReadInt64();}string resumeHeader = $"RESUME|{fileName}|{fileSize}|{startPosition}";// 发送断点续传请求并等待确认
}// 接收端处理断点续传请求
if (headerParts[0] == "RESUME")
{resumePosition = long.Parse(headerParts[3]);// 检查文件状态并发送确认/拒绝响应FileMode fileMode = isResume ? FileMode.Append : FileMode.Create;
}

• 传输速度优化
  • 功能说明：通过一系列配置优化，显著提高文件传输速度。
  • 增大缓冲区大小：
    • 将原有的4KB缓冲区增大到64KB，减少网络交互次数
    • 在发送端和接收端统一使用相同的缓冲区大小，确保最佳匹配
  • 禁用Nagle算法：
    • Nagle算法会延迟小数据包的发送以提高吞吐量，但会增加延迟
    • 在文件传输场景中，禁用Nagle算法可以减少延迟，提高实时性
  • 优化Socket缓冲区设置：
    • 显式设置发送和接收缓冲区大小为64KB，确保与分片大小匹配
    • 减少操作系统层面的缓冲区管理开销
  • 代码实现关键点：

// 传输速度优化配置
client.NoDelay = true; // 禁用Nagle算法
client.SendBufferSize = 64 * 1024; // 64KB发送缓冲区
// 接收端类似设置client.ReceiveBufferSize

（5）技术架构与流程

• 整体架构
  • 发送端（FileSender）：负责读取本地文件，计算校验和，发送文件数据，并支持断点续传
  • 接收端（FileReceiver）：负责监听连接，接收文件数据，验证校验和，保存文件，并支持断点续传
  • 通信协议：基于TCP协议实现可靠传输，自定义简单协议头格式
• 传输流程
  • 连接建立阶段：
    • 接收端启动并监听指定端口
    • 发送端连接到接收端
    • 双方配置Socket参数（禁用Nagle算法，设置缓冲区大小等）
  • 文件头传输阶段：
    • 发送端确定使用普通传输（FILE头）还是断点续传（RESUME头）
    • 发送端发送文件头信息
    • 接收端解析文件头并做相应处理
    • 对于断点续传请求，接收端发送确认/拒绝响应
  • 文件内容传输阶段：
    • 发送端以64KB为单位分片读取文件
    • 对每个分片计算SHA256校验和
    • 按顺序发送校验和长度、校验和、数据长度和数据内容
    • 接收端接收并验证每个分片
    • 发送端实时保存传输进度
  • 传输完成阶段：
    • 发送端完成所有数据发送
    • 发送端删除临时进度文件
    • 双方关闭连接

（6）使用说明

• 配置与依赖
  • 开发环境：.NET Framework/.NET Core
  • 依赖库：System.Net.Sockets、System.Security.Cryptography、System.IO
  • 端口配置：默认使用4000端口（可在代码中修改Port常量）
  • 保存路径：接收端默认保存到D:\ReceivedFiles\（可在代码中修改SavePath常量）
• 运行方法
  • 首先启动接收端程序：

dotnet run --project FileReceiver\FileReceiver.csproj

- 然后启动发送端程序：* 发送端会自动使用项目目录下的test_file.txt作为测试文件进行传输

dotnet run --project FileSender\FileSender.csproj

（7）扩展建议

• 实现自动重传机制，在校验失败时自动请求重传
• 添加用户认证机制，增强安全性
• 支持多文件并发传输
• 添加图形用户界面，提高易用性
• 实现传输限速功能，避免占用过多网络带宽