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c#：TCP网络基础知识 & 初识Socket编程 & Socket编程中的问题

环境：

  • window10
  • .net core 3.1
  • vs2019
  • centos 7.6
  • wireshark 3.4.7
参考：《图解 | 原来这就是TCP》

一、网络基础知识

c#：TCP网络基础知识 & 初识Socket编程 & Socket编程中的问题

简单描述一下网络传输过程，以web服务器返回http报文到浏览器为例：

  • web服务器将http响应报文装进TCP包裹中，然后填写上目的端口和源端口，比如：80 => 12345。
  • 操作系统将TCP包裹装进IP包裹中并写上目的IP地址和自己的IP地址，比如：11.193.0.12 => 23.12.41.23
  • 操作系统再将IP包装装进MAC包裹中，并协商目的MAC地址和自己使用网卡的MAC地址，然后将它发送给路由器；
  • 互联网上的路由器接到MAC包裹就拆封并根据IP包裹上指示的目的IP地址进行转发（转发时再重新打包MAC包裹并写上目的MAC地址和自己的MAC地址）；
  • 经互联网上路由器层层转发，包裹不知被重新打包了多少次，最外层的MAC地址不知被改了多少次，但IP包裹一直都没动过；
  • 最终MAC包裹到达了客户机网卡，操作系统层层打开包裹，最终根据指定的IP地址和TCP端口找到了目的应用程序-浏览器。

上面是http报文在网络中流转的基础模型。

二、TCP概念

IP协议的特点是：尽最大努力交付。 即：我们通过邮局发送了一封信，它八成是能送达的，但不免遇上天灾人祸，信件可能丢失。

UDP是基于IP协议的，而且设计的比较简单，它也是最大努力交付。

TCP

同样是基于IP协议的，但它要复杂的多，因为它要

保证交付！

它就像是我们打电话一样，专门建立了一个连接通道。

2.1 TCP连接的建立

要想通过TCP传输报文，就必须先建立TCP连接通道，建立通道就要经过TCP三次握手，过程如下：

c#：TCP网络基础知识 & 初识Socket编程 & Socket编程中的问题

用语言描述如下：

A：“B，我请求建立连接，收到回复”

B：“收到，我准备好了，你也准备好，收到回复”

A：“收到，我也准备好了”

之后它们就正常的通信了。

图上的SYN、ACK是TCP报文头中两个二进制位状态。

2.2 TCP连接的释放

当通信完毕，两边的电脑就协商退出了，这个过程称为：4次挥手！

示意图如下：

c#：TCP网络基础知识 & 初识Socket编程 & Socket编程中的问题

用语言描述如下：

A：“请求断开，收到回复”

B：“已收到，请稍等，我在做清理工作”

B：“我已清理完毕，可以断开”

A：“收到，我早就准备好了，你断开吧”

虽然他们挥手完毕了，但故事到这里并没有结束，A在想：“B会不会没收到消息啊，我再等一会吧，如果没有意外，我再关闭”。这一等，可能是2分钟，也可能是4分钟。

我们知道，1分钟对软件来说都已经很长了，这里竟然要等这么久，所以：

天下苦TCP久已！

我们在并发高的机器上会遇到提示Socket耗尽的情况，当我们排查问题时，可能会发现很多处于

TIME_WAIT

和

FIN_WAIT_2

状态的连接，这些TCP连接将断未断还占着端口，就导致了Socket不够用的情况。

2.3 TCP连接中的其他细节

2.3.1 丢包问题

我们知道IP是尽最大努力交付，即不可靠，那么TCP是怎样保证可靠的呢？

原来，TCP在发了一个包后就等待对方的回复，收到对方确认后再发送第二个包，如果没收到回复就再重发，这样就保证了包一定能正确的发出去，不会是发出去之后对方说不收到都不知道。这种模式叫做

停止等待协议

。

停止等待协议

的好处是，TCP发包时心里有数，不会丢包、漏包，但它的缺点是：

效率太低了!

不能发一个包就等一次回复啊。。。

于是，就又发明了

连续等待协议

，这个协议是这样的：将要发送的包按照顺序编号，然后一批一批的发出去（注意：不是全部发出去，比如：共100个包，可以一批就发20个），也不用等待对方回复，对方收每个包后都回复一下，当收到对方回复的包序号时，就任务这个序号之前的都发送成功了。

2.3.2 流量问题

在上面说连续等待协议的时候，100个包分批发送，一批可能发20个，那么怎么确定每一批发多少呢，总不能固定吧。一批发的多的话，对方确认不了，长时间收不到确认的话还要重发，发的少的话，效率还是提不上。

解决这个问题的最好的办法就是让对方告诉你它还能接受多少个包。比如，对方在某个回复包中说自己还可以接受10个，那么自己就控制发送出去的包维持在10个左右，如果对方说它还等处理30个，那么自己就控制发出去的包在30个左右，而这个数量是一直在调整的。这个数量就称为

滑动窗口

。它能有效的解决：

根据对方处理包的速度合理选择发送的速度。

2.3.4 拥塞问题

但有的时候，不是 对方 的接受能力不够，而是网络不太好，造成了网络拥塞。如果出现了这种情况，自己也要控制不能发包发的太快，这种情况可以根据收到的回复情况自行判断，所以上面说的滑动窗口的大小还要受这个的影响。

好了，以上就是TCP的连接的主要内容了，大部分参考了《图解 | 原来这就是TCP》。

三、编程中的Socket

Socket是网络编程中的概念，封装者TCP、UDP这种协议， 由操作系统提供，最终交给程序代码操作。

这里仅讨论操作TCP的Socket。

先来看一个问题：

操作系统如何在本机上标记唯一的TCP连接？四元组的概念：

四元组 ：=（源IP，源端口，目的IP，目的端口）。

根据TCP的设计，操作系统可以用四元组进行标识，即：多个程序可以共用一个IP地址+端口号，只要它们连接的目的IP或端口不相同即可。

道理是这样的，但实际却有差别。

3.1 实验linux中在目的ip不同的情况下是否可以重用本地端口

有一个window10系统、一个centos7.6系统，它们的IP如下：

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一个网卡是可以设置多个IP地址的，widow下网卡属性-> IPv4->高级弹框里可以添加多个ip。

在TCP报文中，使用两个字节传输端口地址，所以理论上端口的范围是：0 - 2^16 即: 1-65535。即使把常用的端口排除掉，剩余的可用端口依然很多，为了能测试端口的复用情况，我们需要手动将linux自动分配的端口范围缩小：

缩小linux中自动分配的端口范围：

首先，观察linux当前自动分配的端口范围：

cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
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然后， 在

/etc/sysctl.conf

文件中添加一行： net.ipv4.ip_local_port_range = 60000 60009，添加完成后如下：

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然后，执行

sysctl -p /etc/sysctl.conf

，使这个配置生效：

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有了上面的设置后，我们就能轻松模拟端口不够用的情况了，也就很容易观察到端口是否重用。

开始试验：

现在来看一下服务端代码：

class ProgramServer
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var endpointStr = args[0];
        var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        var endPoint = IPEndPoint.Parse(endpointStr);
        socket.Bind(endPoint);
        socket.Listen(70000);
        Console.WriteLine($"服务器启动: {endpointStr},接受最大连接数: {70000} ...");
        var dic = new Dictionary<string, Socket>();
        var task = Task.Run(() =>
          {
              long count = 0;
              while (true)
              {
                  var acceptSocket = socket.Accept();
                  count++;
                  var lcoalEndPoint = acceptSocket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
                  var remoteEndPoint = acceptSocket.RemoteEndPoint as IPEndPoint;
                  dic.Add($"{remoteEndPoint.Address}:{remoteEndPoint.Port}", acceptSocket);
                  Console.WriteLine($"{count.ToString().PadRight(7)} 接受连接 {lcoalEndPoint.Address}:{lcoalEndPoint.Port} <= {remoteEndPoint.Address}:{remoteEndPoint.Port}");
              }
          });
        Console.ReadLine();
    }
}

客户端代码：

class ProgramClient
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var count = 0;
        var endpoint = IPEndPoint.Parse("192.168.0.6:5000");
        try
        {
            for (var i = 0; i < 100; i++)
            {
                var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                socket.Connect(endpoint);
                var localEndPoint = socket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
                var remoteEndPoint = socket.RemoteEndPoint as IPEndPoint;
                count++;
                Console.WriteLine($"{count.ToString().PadLeft(2)} 连接成功:  {localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port} -> {remoteEndPoint.Address}:{remoteEndPoint.Port}");
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"exception {count.ToString().PadLeft(2)} 192.168.0.6:5000 {ex?.Message}\r\n {ex?.StackTrace}");
        }

        endpoint = IPEndPoint.Parse("192.168.0.123:5000");
        try
        {
            for (var i = 0; i < 100; i++)
            {
                var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                socket.Connect(endpoint);
                var localEndPoint = socket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
                var remoteEndPoint = socket.RemoteEndPoint as IPEndPoint;
                count++;
                Console.WriteLine($"{count.ToString().PadLeft(2)} 连接成功:  {localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port} -> {remoteEndPoint.Address}:{remoteEndPoint.Port}");
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"exception {count.ToString().PadLeft(2)} 192.168.0.123:5000 {ex?.Message}\r\n {ex?.StackTrace}");
        }

        Console.ReadLine();
    }
}

服务端运行两次，命令分别为：

dotnet run 192.168.0.6:5000

dotnet run 192.168.0.123:5000

然后运行客户端，命令为：

[[email protected] TcpClient]# dotnet TcpClient.dll

最终服务器的效果为：

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客户端的效果为：

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从上图中可以看出，linux允许端口重用，即：只要TCP连接的四元组中有一个不相同的即可。

3.2 试验window中目的IP不同的情况下是否可以重用本地端口

有一个window10系统、两个centos系统，它们ip分配如下：

c#：TCP网络基础知识 &amp; 初识Socket编程 &amp; Socket编程中的问题

和试验1一样，我们需要先缩小window上自动分配的端口范围。

缩小window中自动分配的端口范围：

首先，观察window当前自动分配的端口范围：

netsh int ipv4 show dynamicport tcp
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上面的范围是：49152+16384=65536，即：49152-65536

然后，调整范围：

netsh int ipv4 set dynamicport tcp start=60000 num=255
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window下调整动态端口范围，参照：《Windows修改动态端口范围》

因为window下动态端口最少也要255个，所以需要调整下客户端代码，如下：

// 客户端代码
class ProgramClient
 {
     static void Main(string[] args)
     {
         var count = 0;
         var list = new List<string>();
         var endpoint = IPEndPoint.Parse("192.168.0.9:5000");
         try
         {
             for (var i = 0; i < 300; i++)
             {
                 var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                 socket.Connect(endpoint);
                 var localEndPoint = socket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
                 var remoteEndPoint = socket.RemoteEndPoint as IPEndPoint;
                 count++;
                 Console.WriteLine($"{count.ToString().PadLeft(3)} 连接成功:  {localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port} -> {remoteEndPoint.Address}:{remoteEndPoint.Port}");
                 list.Add($"{localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port}");
             }
         }
         catch (Exception ex)
         {
             Console.WriteLine($"exception 已建立连接: {count.ToString().PadLeft(3)}个 目的:192.168.0.9:5000 {ex?.Message}\r\n {ex?.StackTrace}");
             list = list.OrderBy(i => i).ToList();
             Console.WriteLine($"\t\t 已建立连接使用的本地地址（{list.FirstOrDefault()} - {list.LastOrDefault()}）");
         }

         list = new List<string>();
         endpoint = IPEndPoint.Parse("192.168.0.21:5000");
         try
         {
             for (var i = 0; i < 300; i++)
             {
                 var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                 socket.Connect(endpoint);
                 var localEndPoint = socket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
                 var remoteEndPoint = socket.RemoteEndPoint as IPEndPoint;
                 count++;
                 Console.WriteLine($"{count.ToString().PadLeft(3)} 连接成功:  {localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port} -> {remoteEndPoint.Address}:{remoteEndPoint.Port}");
                 list.Add($"{localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port}");
             }
         }
         catch (Exception ex)
         {
             Console.WriteLine($"exception 已建立连接: {count.ToString().PadLeft(3)}个 目的:192.168.0.123:5000 {ex?.Message}\r\n {ex?.StackTrace}");
             list = list.OrderBy(i => i).ToList();
             Console.WriteLine($"\t\t 已建立连接使用的本地地址（{list.FirstOrDefault()} - {list.LastOrDefault()}）");
         }

         Console.ReadLine();
     }
 }

服务端代码不变。

开始试验：

首先，分别在两台linux服务器上运行socket服务端：

[[email protected] TcpServer]# dotnet TcpServer.dll 192.168.0.9:5000

[r[email protected] TcpServer]# dotnet TcpServer.dll 192.168.0.21:5000

然后，在window运行客户端：

C:\Users\jackletter\source\repos\Test\TcpClient> dotnet run

直接来看客户端执行后的效果：

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从上面可以看到，第一次和

192.168.0.9:5000

共建立了238个连接，后续由于无可用端口失败。

第二次和

192.168.0.21:5000

一个连接也没建立成功，说明上一次开启TCP连接占用的端口并不能重用。

这就说明，linux和window在对待TCP四元组的时候又重大的差异！

注意：测试的时候由于window机器就是我现在使用的机器，所以端口耗尽后导致浏览器网页都打不开了。。。

那么，有没有办法通过设置在window上重用端口呢？

有，也没有！

当window作为客户机的时候，一般建立Socket连接使用的本地端口都是操作系统分配的，但是也可以自己分配，当自己分配的时候就能实现重用了，如下面代码所示：

class ProgramClient
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var list = new List<string>();
        var endpoint = IPEndPoint.Parse("192.168.0.9:5000");

        var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        //设置重用地址
        socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.ReuseAddress, true);
        //需要手动绑定本地的IP和端口
        socket.Bind(IPEndPoint.Parse("192.168.0.6:60005"));
        socket.Connect(endpoint);
        var localEndPoint = socket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
        var remoteEndPoint = socket.RemoteEndPoint as IPEndPoint;
        list.Add($"{localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port}");
        Console.WriteLine($"{list.Count.ToString().PadLeft(3)} 连接成功:  {localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port} -> {remoteEndPoint.Address}:{remoteEndPoint.Port}");

        endpoint = IPEndPoint.Parse("192.168.0.21:5000");
        socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        //设置重用地址
        socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.ReuseAddress, true);
        //需要手动绑定本地的IP和端口
        socket.Bind(IPEndPoint.Parse("192.168.0.6:60005"));
        socket.Connect(endpoint);
        localEndPoint = socket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
        remoteEndPoint = socket.RemoteEndPoint as IPEndPoint;
        list.Add($"{localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port}");
        Console.WriteLine($"{list.Count.ToString().PadLeft(3)} 连接成功:  {localEndPoint.Address}:{localEndPoint.Port} -> {remoteEndPoint.Address}:{remoteEndPoint.Port}");

        Console.ReadLine();
    }
}

经过这样设置后，运行window客户端：

c#：TCP网络基础知识 &amp; 初识Socket编程 &amp; Socket编程中的问题

可以看到，本地的端口确实重用了，，但是：作为客户机的Socket怎么会手动绑定自己的IP和端口呢？一般都是操作系统分配的好嘛？ 所以只能说

有也没有

。

可以自行测试一下，如果

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

 后面不跟上

socket.Bind(IPEndPoint.Parse("192.168.0.6:60005"));

 会不会发生端口重用。

四、Socket编程中两个问题

4.1 连接无法及时断开的问题

其实，从上面讲TCP协议的时候就能看出来，者并不是Socket本身的问题，而是TCP协议的问题。

那么，能不能从Socket本身解决呢？

首先，在window下可以配置TIME_WAIT的时间，操作步骤在MSDN上有介绍：

https://docs.microsoft.com/zh-CN/troubleshoot/windows-client/networking/tcpip-and-nbt-configuration-parameters

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然后，在Socket关闭时，可以使用Socket.Close(0)强制关闭，调用此方法后，TCP的关闭将不会再发生四次挥手，而是关闭的一方直接向对方发送RST信号，发完后自己就直接关闭了。

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如果，调用：

socket.Close();

那么就会使用标准TCP的四次挥手关闭连接，下面是我的实验截图：

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这个实验中关闭的时候卡在了FIN_WAIT_2状态，可能是我自己写的服务端Socket处理的不好，导致第三次挥手的信号都没发出来。

不过更多的时候是卡在了TIME_WAIT状态。

虽然，经过实验后看到Socket是可以解决TCP无法及时断开的问题的，但微软可能有其他的考虑，所以，微软提供的http请求工具中（如：HttpClient）还是遵循TCP的四次挥手断开的。

4.2 端口重用问题

这个问题在第三节已经讲过了，总体来说，在linux服务器上不用担心并发太高导致端口耗尽的问题，但是Window机器上就要头疼了。基于此，建议反向代理服务器都运行在linux上吧。

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