c#Socket学习，使用Socket创建一个在线聊天，日志笔记（5）

socket是基于TCP/IP 协议的一个实现。TCP/IP不是具体的东西，不能通过代码调用，socket实现了tcp/ip，

Socket 不是协议，而是操作系统提供的编程接口（API）。

Socket和HTTP，Websocket，MQTT都是基于tcp/ip的协议。

Socket属于tcp/ip协议中的，介于应用层和传输层中的一个实现，http是应用层的实现。

Socket实现跨进程/主机的网络通信。

提供可靠的字节流传输TCP或者无链接的数据报传输UDP。

网络通信只有两类：可靠字节流（TCP，SOCK_STREAM）+ 尽最大努力数据报（UDP，SOCK_DGRAM）。

SOCK_STREAM: 流式, TCP
SOCK_DGRAM: 广播, UDP
SOCK_RAW: 原始协议

OSI七层模型

应用层：如HTTP, FTP, WebSocket等。
表示层：负责数据格式化、加密解密等。
会话层：管理应用程序之间的会话。
传输层：TCP，UDP。
网络层：IP，ICMP等。
数据链路层：以太网，网卡等。
物理层：物理线路，光纤等。

OSI五层模型

应用层：整合了OSI模型中的应用层、表示层和会话层。
传输层：TCP，UDP。
网络层：IP，ICMP等。
数据链路层：网卡，交换机等。
物理层：物理媒体，如光纤。

粘包/分包

粘包：多个数据包被合并成一个大的数据包发送或接收

分包：一个数据包被拆分成多个小的数据包发送或接收

长度前缀法（最常用，示例项目中也是这么用的）

csharp 复制代码

// 发送
public static void SendMessage(NetworkStream stream, string message)
{
    byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(message);
    byte[] lengthBytes = BitConverter.GetBytes(data.Length);
    
    // 确保网络字节序（大端）
    if (BitConverter.IsLittleEndian)
    {
        Array.Reverse(lengthBytes);
    }
    
    // 发送长度前缀
    stream.Write(lengthBytes, 0, 4);
    // 发送数据
    stream.Write(data, 0, data.Length);
}

// 接收
public static string ReceiveMessage(NetworkStream stream)
{
    byte[] lengthBytes = new byte[4];
    int bytesRead = stream.Read(lengthBytes, 0, 4);
    if (bytesRead != 4) return null;
    
    // 转换为主机字节序
    if (BitConverter.IsLittleEndian)
    {
        Array.Reverse(lengthBytes);
    }
    int length = BitConverter.ToInt32(lengthBytes, 0);
    
    // 接收数据
    byte[] buffer = new byte[length];
    bytesRead = 0;
    while (bytesRead < length)
    {
        int read = stream.Read(buffer, bytesRead, length - bytesRead);
        if (read == 0) return null;
        bytesRead += read;
    }
    
    return Encoding.UTF8.GetString(buffer);
}

分隔符法

使用 \r\n\r\n，假设数据中有这个怎么办呢？

或者自定义--END--

A5 22 33 44 5A

使用A5作为数据开头，5A作为数据结尾，缺点就是传输的数据里面可能有数据开头或者结尾，这时候需要进行转移，将数据中的结束位和开始位进行转义。

csharp 复制代码

// 发送
void SendWithDelimiter(Socket socket, string message)
{
    byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(message + "|END|");
    socket.Send(data);
}

// 接收
string ReceiveByDelimiter(Socket socket)
{
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead = socket.Receive(buffer);
    string data = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead);
    
    int endIndex = data.IndexOf("|END|");
    return endIndex >= 0 ? data.Substring(0, endIndex) : data;
}

固定长度法

适合固定格式的协议，每次传输的协议长度固定。

每次都发送长度是一样的。

A5 11 22 33 44 5A

每次都发送相同长度的数据，解析的时候，根据不同的位进行解析。例如11是操作符，不同的操作符对数据进行不同的解析。

例如，不同的数据使用使用不同的解析方式，然后空位使用FF 补充，这个需要双方约定。

A5 12 22 43 FF 5A

A5 13 22 FF FF 5A

csharp 复制代码

// 发送
void SendFixedLength(Socket socket, string message)
{
    byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(message.PadRight(FIXED_LENGTH, '\0'));
    socket.Send(data);
}

// 接收
string ReceiveFixedLength(Socket socket)
{
    byte[] buffer = new byte[FIXED_LENGTH];
    int totalRead = 0;
    
    while (totalRead < FIXED_LENGTH)
    {
        int bytesRead = socket.Receive(buffer, totalRead, FIXED_LENGTH - totalRead, SocketFlags.None);
        if (bytesRead == 0) break;
        totalRead += bytesRead;
    }
    
    return Encoding.UTF8.GetString(buffer).TrimEnd('\0');
}

Socket clientSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
clientSocket.Connect("127.0.0.1", 8888);

// 发送消息
SendWithDelimiter(clientSocket, "Hello Server");
SendFixedLength(clientSocket, "Fixed Data");

连接

Socket ≈ 打电话（建立连接后可以直接说话）

HTTP ≈ 发邮件（一发一收，每次都要写格式）

WebSocket ≈ 打电话，但先发短信确认身份，然后畅聊

socket连接（tcp）

四次握手三次挥手

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客户端                服务器
  |----SYN----->|
  |<---SYN+ACK--|
  |----ACK----->|
  
  连接建立，双向通信
  
  |----FIN----->|
  |<---ACK------|
  |<---FIN------|
  |----ACK----->|

保持长连接
双向实时通信
需要手动管理连接状态

http连接

过程：TCP三次握手 → HTTP请求 → HTTP响应 → TCP四次挥手

四次握手三次挥手，因为http是基于socket的，所以也需要实现，请求的时候四次握手，然后发送数据，获取到数据之后，挥手完成请求。

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客户端                服务器
  |---TCP握手--->|（三次握手）
  |---GET/POST-->|（HTTP请求头+体）
  |<---200 OK----|（HTTP响应头+体）
  |---TCP挥手--->|（四次挥手）
  
  每次请求都重复此过程（HTTP/1.0）

短连接（HTTP/1.0）或长连接（HTTP/1.1 Keep-Alive）
客户端主动发起，服务器响应
无状态，每个请求独立

websocket连接

过程：HTTP握手 → 协议升级 → WebSocket通信

四次握手三次挥手，因为http是基于socket的，所以也需要实现，请求的时候四次握手，然后发送数据，获取到数据之后，确认up头，更新完成成之后转成socket通信。

text 复制代码

 客户端                服务器
  |---TCP握手--->|    // 1. 底层TCP三次握手建立连接
  |               |
  |---HTTP握手--->|   // 2. WebSocket握手（HTTP协议）
  |<--HTTP响应----|   //   服务器响应升级协议
  |               |
  |===WebSocket===>|  // 3. 升级为WebSocket协议通信
  |<==双向数据=====|  //    全双工数据传输
  |               |
  |--Close帧----->|   // 4. WebSocket关闭握手
  |<--Close帧-----|   //    双向确认关闭
  |               |
  |---TCP挥手--->|    // 5. 底层TCP四次挥手断开连接

csharp 复制代码

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==  // 随机base64编码的16字节值
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com

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Upgrade: websocket - 请求升级协议
Connection: Upgrade - 连接升级
Sec-WebSocket-Key - 随机密钥，用于安全性验证
Sec-WebSocket-Version: 13 - 协议版本

mqtt连接

过程：TCP连接 → MQTT握手 → 发布/订阅

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客户端                服务器
  |---TCP SYN--->|   // 1. TCP三次握手
  |<--SYN+ACK----|
  |---TCP ACK--->|
  
  |--CONNECT---->|   // 2. MQTT连接请求
  |<-CONNACK-----|   // 3. 连接确认
  
  |===通信阶段===|   // 发布/订阅消息
  
  |--DISCONNECT->|   // 4a. 优雅断开（MQTT层）
  |               |
  |---TCP FIN--->|   // 5. TCP四次挥手（传输层）
  |<---TCP ACK---|
  |<---TCP FIN---|
  |---TCP ACK--->|

轻量级，适合IoT设备
基于发布/订阅模式
支持QoS（服务质量等级）
心跳机制保持连接

心跳

心跳（Heartbeat）是客户端定期向服务器发送的小数据包，目的是：

保活连接：告诉服务器"我还活着"
检测连接状态：及时发现断开的连接
防止超时断开：避免防火墙/NAT超时清理连接
网络质量检测：通过响应时间判断网络状况

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客户端                服务器
  |---心跳包---->|  // 定期发送
  |<---响应------|  // 服务器确认
  (等待一段时间)
  |---心跳包---->|  // 再次发送
  |<---响应------|
  ...循环...

csharp 复制代码

using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading;

public class HeartbeatManager
{
    private Socket socket;
    private Timer heartbeatTimer;
    private DateTime lastResponseTime;
    private Thread receiveThread;
    
    public void StartHeartbeat()
    {
        // 每30秒发送一次心跳
        heartbeatTimer = new Timer(SendHeartbeat, null, 0, 30000);
        
        // 启动接收线程
        receiveThread = new Thread(ReceiveMessages);
        receiveThread.IsBackground = true;
        receiveThread.Start();
    }
    
    private void SendHeartbeat(object state)
    {
        try
        {
            // 发送心跳包
            byte[] heartbeat = Encoding.UTF8.GetBytes("HEARTBEAT");
            socket.Send(heartbeat);
            
            // 检查上次响应时间
            if ((DateTime.Now - lastResponseTime).TotalSeconds > 90)
            {
                Reconnect();  // 90秒没响应，重连
            }
        }
        catch (SocketException)
        {
            Reconnect();  // 发送失败，重连
        }
    }
    
    private void ReceiveMessages()
    {
        byte[] buffer = new byte[1024];
        
        while (true)
        {
            try
            {
                int bytesRead = socket.Receive(buffer);
                if (bytesRead > 0)
                {
                    string message = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead);
                    
                    if (message == "HEARTBEAT_RESPONSE")
                    {
                        OnHeartbeatResponse();  // 心跳响应
                    }
                    else
                    {
                        ProcessMessage(message);  // 业务消息
                    }
                }
            }
            catch (SocketException)
            {
                break;  // 连接异常，退出接收循环
            }
        }
    }
    
    public void OnHeartbeatResponse()
    {
        lastResponseTime = DateTime.Now;  // 更新响应时间
    }
    
    private void ProcessMessage(string message)
    {
        lastResponseTime = DateTime.Now;  // 收到任何消息都更新响应时间
        // 处理业务逻辑...
    }
    
    private void Reconnect()
    {
        // 重连逻辑...
    }
}

大端/小端

在网络传输中统一使用大端传输。

什么是高低位字？

text 复制代码

32位整数：0x12345678
高位字（High Word）：0x1234（高16位）
低位字（Low Word）：0x5678（低16位）

64位整数：0x123456789ABCDEF0
高位双字（High Dword）：0x12345678（高32位）
低位双字（Low Dword）：0x9ABCDEF0（低32位）

大端（Big Endian）

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高位字节在低地址，低位字节在高地址
就像正常阅读数字：0x12345678 → 内存：12 34 56 78
网络字节序标准

bool isLittleEndian = BitConverter.IsLittleEndian;

Console.WriteLine($"系统是端序.true大，false小: {isLittleEndian}");

小端（Little Endian）

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低位字节在低地址，高位字节在高地址
x86架构默认：0x12345678 → 内存：78 56 34 12

bool isLittleEndian = BitConverter.IsLittleEndian;
Console.WriteLine($"系统是端序.true大，false小: {isLittleEndian}");

转换方式

csharp 复制代码

using System.Net;

// 系统提供的转换（注意：只支持short/int）
short hostShort = 0x1234;
short networkShort = IPAddress.HostToNetworkOrder(hostShort);
short backToHost = IPAddress.NetworkToHostOrder(networkShort);

int hostInt = 0x12345678;
int networkInt = IPAddress.HostToNetworkOrder(hostInt);
int backToInt = IPAddress.NetworkToHostOrder(networkInt);

有状态和无状态

有状态（statelful)

一个有状态的系统会在执行某个操作时，将当前操作的上下文和状态记录下来。这些上下文和状态信息可以用来支持更复杂的操作，比如说处理多个请求，或者在不同的时间点上执行一系列的操作。在这种系统中，用户的每个请求都会被认为是不同的，并且需要针对每个请求单独维护状态信息。就像是AI 一样会联系上下文。用户的多个请求是相关联的，服务器能识别这是同一个用户的连续请求。

例如

传统Session（如PHP Session、Tomcat Session）
TCP连接
数据库连接池
SSH连接

无状态（stateless）

相反，一个无状态的系统不会维护任何状态信息，它会处理每个请求并给出一个结果。在这种系统中，所有请求都是相同的，并且没有任何请求在上下文上具有优劣之分。这种系统通常更加简单和可扩展，因为它不需要维护额外的状态信息。不会联系上下文，每次请求都是一个独立的请求。

例如

RESTful API（理想情况）
HTTP协议（本身是无状态的）
静态文件服务器

现实中的混合使用

HTTP的无状态 + 状态管理技巧

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客户端请求 → 服务器生成Session ID → 存状态到服务器 → 返回Session ID
后续请求携带Session ID → 服务器读取对应状态

JWT（JSON Web Token）：

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// 无状态认证示例
// 请求头中携带自包含的token
Authorization: Bearer eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9...
// token包含所有必要信息，服务器无需存储状态

其他

魔数（Magic Number）

在计算机领域，"魔数"（Magic Number）通常指用于标识文件格式、协议类型或数据结构的特定字节序列。它是一种约定俗成的"签名"，用于快速判断一段数据是否符合预期格式。

在编程中，"魔数"一词也有另一层含义------指代码中出现但未加解释的硬编码数字或字符串（如 if (status == 42)），这类"魔法值"应尽量避免，推荐使用具名常量代替。

在自定义通信协议时，我们也可以在消息头部加入一个固定的"魔数"，用于校验消息合法性、防止误解析或抵御非法连接。

文件格式魔数

文件格式	魔数值（十六进制）	ASCII表示	说明
JPEG图像	`FF D8`	`ÿØ`	文件开头两个字节标识JPEG格式
PNG图像	`89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A`	`.PNG....`	八个字节的固定签名
GIF图像	`47 49 46 38 39 61`	`GIF89a`	GIF89a格式
	`47 49 46 38 37 61`	`GIF87a`	GIF87a格式
ZIP压缩文件	`50 4B 03 04`	`PK..`	ZIP文件标准签名
PDF文档	`25 50 44 46 2D`	`%PDF-`	PDF文件开头标识
BMP图像	`42 4D`	`BM`	Windows位图文件
ELF可执行文件	`7F 45 4C 46`	`.ELF`	Unix/Linux可执行文件格式

数据结构魔数

结构类型	魔数值	说明
Java类文件	`0xCAFEBABE`	Java虚拟机识别.class文件的标志
Mach-O可执行文件	`0xFEEDFACE`	32位macOS可执行文件
	`0xFEEDFACF`	64位macOS可执行文件
SQLite数据库	`53 51 4C 69 74 65 20 66 6F 72 6D 61 74 20 33 00`	`SQLite format 3` + null终止符

特定条件魔数

场景	位置	魔数值	作用
x86 MBR引导扇区	第511-512字节	`0x55 0xAA`	标识有效的主引导记录
FAT文件系统引导扇区	偏移0x1FE-0x1FF	`0x55 0xAA`	标识有效的引导扇区
Java对象序列化流	开头四个字节	`0xACED0005`	Java序列化流的起始标识

编程语言和框架魔数

类型	示例值	说明
Python .pyc文件	`0x16 0x0D 0x0D 0x0A`	Python字节码文件的魔数，用于版本兼容性检查

协议魔数

协议	魔数/标识	说明
HTTP协议	`HTTP/`	响应开头标识协议版本，如`HTTP/1.1`
TLS/SSL协议	`0x16 0x03`	ClientHello消息的前两个字节，标识TLS版本和握手类型

c#Socket学习，使用Socket创建一个在线聊天，日志笔记（5）