一文读懂网络通信

最新推荐文章于 2025-04-03 14:01:06 发布

Marzlam

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分类专栏：网路通信相关 socket tcp 文章标签：网络通信

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网路通信相关 socket tcp 专栏收录该内容

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网络通信之五大io模型以及常用五分层结构

理顺网络通信
通信过程常用五层结构
五大io模型
后续跟进系列应用层传输层协议的使用

理顺网络通信

很多时候，在不完全清楚的情况下，总是会被socket，websocket,restful 风格，http 协议，tcp,rpc这些知识概念搞得很懵，所以为了能够理顺这些网络通信的概念。我先总结一句话，然后下面在慢慢分析不同的概念对应不同的出处。

小结：俩台计算机通信必然需要硬件和软件结合，作为IT行业者则更关心软件层面，sockert作为底层技术手段可以理解为操作系统软件层面，而IT行业最熟悉封装的使用了，网络通信亦是如此，直接使用底层总是不友好的，那么更好的实现就封装了各种协议比如 http websockert grpc,而restful风格是对于协议之间交互的规范

一句话：在软件层面进行网络通信，总是根据不同场景需求需要拟定不同的协议和风格，而实现协议和风格的手段往往都是通过对socket系统层级的封装来作为软件层级的使用

接下来我将拆分这个总结的话，深刻去了解通信的过程

通信过程常用五层结构

通信过程：物理层-链路层-网络层-传输层（tcp/ip协议/udp）-应用层（http协议/）

物理层：把电脑连接起来的物理手段网线光纤光缆
链路层: 以太网帧电脑唯一mac地址 --不太好记衍生 IP地址 — 又不太好记衍生出域名 DNS就是IP与域名对一个关系本地host文件广播
网络层：主机到主机网关交换机路由器 IP地址 IPv4 内网/外网（局域网公网）子网掩码
4.1 子网掩码就是来判断电脑ip地址是否在同一局域网内，公网上一个电脑只有一个唯一ip地址
4.2 但局域网内A可能与局域网B内ip地址相同就好比张三家的沙发（局域网张三）跟李四家沙发（局域网李四）一样但是家具厂沙发A型号（公网）不会摆俩个
4.3 三元组又叫半相关 (协议，ip本地地址，本地端口号）确定程序唯一性五元组又叫全相关（协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号）这样就唯一到唯一建立连接
4.4 有了这mac地址 IP地址两个地址，数据包才能准确送到接收者手中。但是，前面说过，MAC地址有局限性，如果两台电脑不在同一个子网络，就无法知道对方的MAC地址，必须通过网关（gateway）转发
传输层：到电脑上还需要正确到程序上端口-端口端口（程序编号） Udp协议 Tcp协议
socket: 其实就是网络传输层传承到应用层的时候抽象的一个通信载体封装了底层供使用调用即可可以理解就是帮助完成tcp握手的工具
应用层：应用程序接收传输内容也就是协议规范处 HTTP/S/1/2 DHCP FTP、TELNET、SMTP、DNS、webSocket、grpc 有很多后续文章会单独讲应用层

通信过程重要，但是高效的应对不同场景需求通信更重要，所以通信性能更重要接下来了解IO模型传输的效率

五大io模型

关键点理解：五大I/O模型是操作系统提供的通信基础设施你可以理解为底层，不同场景需要的性能考虑方面来决定使用哪种，接下来会介绍5大模型，毕竟是底层当然也会用原生的socket技术来演示，而日常工作使用的协议其实已经做了封装屏蔽了内部细节。

阻塞 I/O 模型
同步阻塞：调用 I/O 方法（如 Socket.Receive）时，线程被挂起直至数据就绪且完成内核到用户空间的拷贝。
流程：
发起 Receive 请求；
内核等待数据到达网卡并拷贝至内核缓冲区；
数据拷贝至用户缓冲区后，线程恢复执行
适用场景：
简单单线程客户端/低并发服务端（如简单 TCP 工具）。
缺点：每个连接需独立线程处理，线程资源消耗大，无法支撑高并发（如 C10K 问题）

Socket socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
socket.Blocking = true; // 默认阻塞模式
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytesRead = socket.Receive(buffer); // 阻塞在此处
Console.WriteLine($"Received {bytesRead} bytes.");

非阻塞 I/O 模型
同步非阻塞：调用 I/O 方法立即返回状态值（如 EWOULDBLOCK），需轮询检查就绪状态。
流程：
设置 Socket 为非阻塞模式；
循环调用 Receive 直至返回成功或超时
适用场景：
低并发实时监控（如设备状态轮询）。
缺点：轮询消耗 CPU，需结合多路复用优化

socket.Blocking = false; // 非阻塞模式
while (true)
{
    try
    {
        int bytesRead = socket.Receive(buffer);
        if (bytesRead > 0)
        {
            Console.WriteLine($"Received {bytesRead} bytes.");
            break;
        }
    }
    catch (SocketException ex) when (ex.SocketErrorCode == SocketError.WouldBlock)
    {
        Thread.Sleep(10); // 避免 CPU 空转
    }
}

I/O 多路复用（I/O Multiplexing）
同步事件驱动：通过 Select/Poll/Epoll 监听多个 Socket 的就绪事件，统一处理。
流程：
注册多个 Socket 到多路复用器（如 Socket.Select）；
调用 Select 阻塞等待就绪事件；
遍历就绪 Socket 处理数据
适用场景：
高并发服务器（如 HTTP 服务、聊天服务器）。
优势：单线程管理数千连接，减少线程切换开销

List<Socket> sockets = new List<Socket> { socket1, socket2 };
while (true)
{
    List<Socket> readList = new List<Socket>(sockets);
    Socket.Select(readList, null, null, 1000); // 阻塞等待可读事件
    foreach (Socket s in readList)
    {
        byte[] data = new byte[1024];
        int bytesRead = s.Receive(data); // 非阻塞，因 Select 已确认就绪
        Console.WriteLine($"Received {bytesRead} bytes from {s.RemoteEndPoint}");
    }
}

信号驱动 I/O（Signal-Driven I/O）
异步通知：内核通过信号（如 SIGIO）通知进程数据就绪，进程再执行 I/O 操作。
流程：
注册信号处理函数；
设置 Socket 为信号驱动模式；
收到信号后读取数据。
C# 限制：
跨平台问题：C# 原生不支持信号驱动 I/O（Linux 特有）。
替代方案：使用 SocketAsyncEventArgs 或 async/await 模拟类似行为
异步 I/O（Asynchronous I/O）
全异步：数据准备与拷贝均由内核完成，通过回调或 Task 通知用户程序。
流程：
发起异步操作（如 ReceiveAsync）；
内核完成数据准备与拷贝；
通过回调或 await 处理结果
适用场景：
高性能服务端（如微服务、实时数据处理）。
优势：零阻塞，高吞吐量，天然适配 C# 异步编程模型

public async Task HandleClientAsync(Socket client)
{
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead = await client.ReceiveAsync(buffer, SocketFlags.None);
    Console.WriteLine($"Received {bytesRead} bytes asynchronously.");
}