與Socket的第一次“約會”

   在前面的文章中，我們已經介紹了使用.NET平臺開發網絡應用程序諸如IP地址、網絡接口之類的背景知識，本文將介紹.NET網絡應用程序的主角--Socket。如果把Socket比喻爲一位“美女”，那麼有關她的“愛情故事”實在太多，而本系列後繼的文章，就圍繞着這位“美女”所展開。
1    Socket美女的“家庭背景”
    Socket，中文譯爲“套接字”，最早在UNIX中引入並得到廣泛應用，後來微軟在設計Windows時引入了UNIX中的這個概念和相應的設計理念，並針對Windows的特性略作調整，形成了Windows平臺上的Socket，簡稱爲“WinSock”，併爲開發者提供了一整套的API，稱爲“Windows WinSock Win32 API ”。
      WinSock經歷了兩個版本，Windows Sockets 2是目前用得最多的版本（參看 http://en.wikipedia.org/wiki/Winsock ），微軟似乎從來沒有宣佈要開發WinSock 3，也許“永遠也不會有”了。
     圖 1所示爲.NET平臺下網絡應用程序的層次架構：

圖 1

    WinSock在底層使用一個運行於操作系統核心的系統驅動（Windows Sockets Knernel-mode Driver）tcpip.SYS，由它們負責管理網絡連接和緩衝管理。
    還有另一個驅動Afd.sys（Ancillary Function Driver for WinSock）則用於支持基於 window socket的應用程序，比如ftp、telnet等，被稱爲“ Windows NT 套接字驅動程序 ”。
    早期的Windows開發者，需要使用C/C++去調用WinSock，比如MFC就提供了一個“CSocket”類封裝底層的Socket。
    .NET也提供了一組類來封裝WinSock Win32 API，這些類集中於System.Net這一命名空間中，其中的核心類型就是Socket。
    Socket類是對WinSock API一個很淺的封裝，擁有不少方法直接對應於WinSock中的C/C++函數，比如Poll、Select、IOControl等。
    Socket有一個Handle屬性，它引用位於操作系統核心的Socket核心對象。

提示：
有關係統核心對象（Kernel Object）的通俗解釋，請參看《.NET 4.0面向對象編程漫談》中的15.1.2節《操作系統的進程管理》

Socket提供了衆多的屬性，還提供了SetSocketOption方法來設置各種選項，對.NET網絡應用程序的數據通訊進行“微調”。
Socket的功能出奇地強大，在.NET平臺上，它支持以下四種典型的編程模式：

（1）居於阻塞模式的Socket編程（單線程或多線程的），每個線程處理一個客戶端連接
（2）“非阻塞”模式的Socket編程，這是早期UNIX爲提升網絡應用程序性能而採用的編程模式，出於兼容和方便移植原有程序的目的而保留，建議新開發的.NET網絡程序不要再使用。
（3）使用IAsyncResult的異步編程模式：Socket類提供有一堆的“BeginXXX/EndXXX”方法實現異步Socket編程，使用線程池中的線程完成工作，性能較好。
（4）使用EAP的異步編程模式：Socket類提供了“另一堆”以“Async”結尾的方法，在底層使用Windows操作系統的Completion Port（完成端口）和Overlapped I/O mechanism（重疊輸入/輸出機制），據說可以提供“最高”的性能。
在後面的文章中，將逐步地展開介紹這些編程模式。

提示：
強烈建議讀者仔細閱讀《.NET 4.0面向對象編程漫談》中的第10章《異步編程模式》，以提前掌握.NET異步編程的基礎知識與基本技能，否則，後面的文章可以不用看了。

瞭解了Socket這位“美女”的“家庭背景”之後，在與她進行第一次“約會”之前，我們不妨弄清楚一個問題：
現在我們還有必要掌握Sokcet編程技術嗎?

2    Socket是否已人老珠黃？
    基於Socket開發網絡應用程序已經有很多年的歷史了，現在的新技術層出不窮，在.NET平臺之上，WCF大有“一統江湖”的勢頭，Socket是否真的“人老珠黃”？
    請看圖 2所示的多層“松花蛋”：

圖 2

    圖 2說明，WCF與WinSocket等底層技術之間實際上是一種“包含”關係，每一層都在下一層所提供服務的基礎上，又擴充了新的功能，越外層的應用程序，可以使用的功能往往越多，開發效率往往也會更高。
    WCF在WinSocket的基礎之上擴充了大量的功能，使用它可以很高效地開發網絡應用程序，尤其非常適合於開發基於SOA的分佈式軟件系統，但這並不是說它可以完全把Socket打入冷宮。在不少場合，拋棄WCF那龐大的框架，直接使用Socket更合適：
    （1）需要實現自己的通訊協議的場合（比如你要架設一個網絡遊戲服務器）
    （2）你開發的系統需要實現“一問一答”的“交互式”運行模式
    （3）你希望能全面控制你的網絡應用程序的“每個方面”，不想花時間去理解WCF那個複雜無比的內部架構
    （4）你的網絡應用程序應用背景非常單一與明確，比如就解決一個問題：定期將分佈於多臺計算機上的數據文件上傳“彙總”到一臺中心服務器上。
    （5）……
    如果需要基於各種標準協議（比如WS-*等）開發SOA的分佈式軟件系統，再使用Socket就不合適了，那會大大地增加開發的工作量和難度，WCF更適合於解決這個問題。
    在實際開發中，我們還可以混用WCF和Socket。比如我們可以基於WCF開發P2P的應用程序，使用NetPeerTcpBinding在P2P節點間“廣播消息”，然後，在兩個P2P節點之間直接使用Socket“私下”裏傳送一個“祕密”文件。
    是可謂“運用之妙，存乎一心 ”。
    好了，下面就介紹使用Socket開發的最基礎知識吧。

3     第一個Socket應用程序
    一般我們都將網絡應用中用於提供“服務”的一方稱爲“服務端應用程序（Server）”，另一方訪問這些服務的稱爲“客戶端應用程序（Client）”。Server端和Client端的Socket用法是不一樣的。
    3.1 服務端應用程序
    開發網絡程序的第一步，是創建Socket對象，以下是示例代碼：

    Socket newsock = new Socket(
        AddressFamily.InterNetwork,    //使用IPv4
        SocketType.Stream, //使用可靠的雙向數據流，不保存信息邊界
        ProtocolType.Tcp //使用TCP協議
    );

緊接着，需要將Socket對象“綁定（Bind） ”到一個“終結點（IPEndPoint的實例）”。

IPEndPoint ipep = new IPEndPoint(IP地址,打開端口); //綁定
newsock.Bind(ipep);

    提示：
    前面的《IP知多少》一文中介紹過IPEndPoint。WCF中也定義了“終結點 ”，它代表一個WCF服務的訪問點。

    “綁定（Bind） ”這個術語非常值得關注，簡單地說，“綁定”就是將原先可能不相關的兩個事物“關聯”起來，打個可能不太恰當的比喻，“綁定”就是相愛的兩個人最終決定結婚，並領了結婚證。
    “綁定”的身影在.NET平臺中頻頻出現，比如“數據綁定（DataBind）”，就是使用控件將數據源中的數據展示在應用程序的界面上，並且將用戶對數據的修改和查詢等傳給數據源。
    在Socket應用程序中，“綁定”的作用是讓某個Socket對象關聯上特定的網絡接口（Network Interface）。一臺網絡主機可能安裝有多個網絡接口，“綁定”之後，Socket對象將可以在指定那個網絡接口（Network Interface ）上監聽。如果不需要指定特定的網絡接口，也不在意使用的端口，那麼，可以創建一個使用IPAddress.Any，端口爲0的IPEndPoint，Socket綁定這一IPEndPoint之後，操作系統會決定最終使用哪個網絡接口，並且在“[1024,5000]”之間的選擇一個未用端口分配給此Socket。

注意：
    WCF中也有“綁定”，但WCF中的“綁定”的含義要豐富得多，它其實是一組特殊的對象，它的主要功能是創建用於實現WCF應用程序間相互通訊的“信道棧”，WCF基類庫中提供了一堆的“綁定”，特定的綁定使用特定的通訊協議和技術，比如NetTcpBinding採用TCP協議，NetMsmqBinding則使用了微軟消息隊列。

    Socket對象綁定網絡接口之後，就可以監聽並等待客戶端連接了：

newsock.Listen(10); //開始監聽
Socket client = newsock.Accept(); //等待客戶端連接

    所謂“監聽（Listen） ”，其實是告訴操作系統：“我關心本機某個網絡接口上的數據包，當有數據包到達，並且端口號和我所規定的一致，請通知我”。
    Socket.Listen方法的參數有着特殊的含義。此處暫時按下，留待後文分解。
    Socket.Accept方法等待客戶端發來的連接請求數據包，默認情況下，這一方法是“同步”方法，線程將在此處阻塞等待，直到有客戶發來連接請求。
    當客戶端發來連接請求時，Accept方法返回一個Socket對象，這個對象代表雙方已建立了一條數據通訊的鏈路，可以相互傳送數據了。這時，原先的Socket將得到“解放”，可以繼續監聽。

注意：
負責監聽的Socket不負責發送與接收數據，而Accept方法返回的Socket可以用於接收和發送數據，但不能用於接收新的連接，同時，其RemoteEndPoint方法可以獲取遠程客戶端的IP地址和使用的端口

以下代碼調用剛得到的Socket對象的Receive方法接收客戶端發來的數據：

byte[] data = new byte[1024];
int r ecv = client.Receive(data);

Socket.Receive方法也是一個“阻塞”的同步方法，它將收到的數據保存到一個字節數組中，這個字節數組通常稱爲“數據緩衝區”。

提示：
數據緩衝區在Socket編程中非常重要，讀者會發現，在開發中你時時刻刻都得關注它，一不小心，它就給你搗亂。

Receive方法的返回值代表接收的數據字節數。以下代碼使用這一返回值瞭解客戶端到底發來了什麼消息：

Console.WriteLine(Encoding.UTF8 .GetString(data, 0, recv ));

    上面這句代碼中有幾點需要特別注意：
    （1）一定要使用recv來“定界”客戶端傳來的數據。
    （2）我們假設客戶端發送過來的消息是一個字符串，這裏使用UTF8進行解碼。很明顯，這要求客戶端與服務端必須事先達成一致，使用同樣的編碼和解碼方式。這種需要在事先進行協商的“東西”，就是“通訊協議 ”。不同的網絡應用會使用不同的通訊協議，比如互聯網普遍使用HTTP，這是一個業界標準，而我們也可以定義自己的通訊協議，比如QQ就有自己的通訊協議。

    提示：
    我在《漫談.NET開發中的字符串編碼》一文中介紹了字符串編碼的基礎知識。

數據接收完畢，服務端就可以斷開客戶的連接：

client.Shutdown(SocketShutdown.Both); //通知OS，不再接收與發送數據
client.Close(); //關閉Socket

    完成數據傳送任務之後，注意應該及時地關閉Socket。這通常分爲兩步：
    （1）調用Shutdown方法通知TCP/IP協議棧發送所有未發送的數據，或停止接收數據
    （2）調用Close方法關閉套接字。
    Socket本身對應着一個核心對象，它有一個句柄（Handle）供操作系統內核進行管理。因此，它不再有用時必須及時地被關閉，否則，有可能會造成嚴重的問題。

提示：
操作系統能管理的句柄數是有限的，而網絡應用服務端程序通常會運行很長的時間，如果不及時地關閉不用的Socket，將導致它所佔用的句柄不能及時回收，有可能導致服務器Down掉。

Socket本身實現了IDisposable接口，所以也可以使用using關鍵字實現“自動釋放”：

    using (newsock)
    {
           ……
    } //自動關閉newsock

    3.2 客戶端應用程序
    客戶端應用程序與服務端大同小異：
    首先創建好一個Socket對象，然後再調用其Connect方法創建到服務端的連接，如果之前Socket沒有使用Bind方法指定一個端口，Connect方法會自動選擇一個未用的端口：

    Socket server = new Socket( AddressFamily.InterNetwork,
                    SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp );
    server.Connect(服務端的IP終結點);

如果Connect方法沒有拋出異常，則表示成功連接服務器，現在，就可以使用Socket對象的Send方法發送數據，數據同樣保存於一個數據緩衝區（其實就是一個byte[]）中：

server.Send(Encoding.UTF8 .GetBytes(要發送的消息));

    注意這裏選擇的字符串編碼方式必須要與服務端一致，否則，將導致服務端無法正確地解碼出字符串。
    數據發送完畢，關閉套接字就行了。
    3.3 處理網絡應用程序中的異常
    Socket對象的Connect、Send、Receive等方法都有可能出錯，這時，.NET基類庫將拋出一個SocketException，它實際上封裝的是底層WinSock出錯信息。
    每一個SocketException對象都有一個對應的錯誤號，其含義是由底層的WinSock定的。比如錯誤號爲10048的SocketException其含義是：地址已被使用。發生這一異常的原因通常是你嘗試把兩個Socket對象綁定到同一個IPEndPoint。
    以下是Socket網絡應用程序中的典型代碼框架：

    Socket remote=new Socket(……);
    try
    {
        //……
        remote.Connect(iep); //iep爲遠程主機的終結點
        //……
        remote.Send(……);
        //……
    }
    catch (SocketException e)
    {
        Console.WriteLine("無法連接遠程主機 {0} ,原因：{1}，
            NativeErrorCode：{2},SocketErrorCode:{3}", iep.Address,
            e.Message, e.NativeErrorCode, e.SocketErrorCode);
    }
    finally
    {
        server.Close();
    }