Dev Blog

Мережі, TCP, UDP і Socket ​

Основи мереж ​

Мережний застосунок складається щонайменше з двох програм, що обмінюються даними. Сервер (server) чекає на запити й обслуговує їх, клієнт (client) звертається до сервера. Так працюють браузер і вебсервер, поштова програма й поштовий сервер, мережна гра. Програми можуть працювати на різних комп’ютерах або на одному: для навчання зручно запускати сервер і клієнт на одному комп’ютері в двох вікнах терміналу.

Стек протоколів TCP/IP ​

Протокол (protocol) – набір правил обміну даними: формат повідомлень, їх порядок і реакція на помилки. Мережні протоколи утворюють стек із рівнів. Навчальна модель OSI має сім рівнів, а в Інтернеті використовується простіша модель TCP/IP із чотирьох рівнів (рис. 9.1):

  • канальний – передає кадри в межах однієї мережі (Ethernet, Wi-Fi);
  • мережний – доставляє пакети між мережами за IP-адресами (протокол IP);
  • транспортний – передає дані між програмами за номерами портів (TCP, UDP);
  • прикладний – протоколи конкретних застосунків (HTTP, DNS і власні протоколи).

Рис. 9.1. Стек протоколів TCP/IP

Кожен рівень користується послугами нижчого: програма передає дані транспортному рівню, той ділить їх на сегменти, мережний рівень упаковує сегменти в IP-пакети і так далі. На комп’ютері отримувача дані піднімаються стеком угору. Програміст C# працює на межі прикладного й транспортного рівнів: його програма формує прикладні повідомлення, а доставку виконують операційна система та мережне обладнання.

IP-адреси ​

IP-адреса (IP address) ідентифікує мережний інтерфейс комп’ютера. Використовуються дві версії:

  • IPv4 – 32-бітова адреса, записана чотирма числами 0–255: 192.168.1.20;
  • IPv6 – 128-бітова адреса, записана шістнадцятковими групами: 2001:db8::15.

Особливі адреси: 127.0.0.1 (IPv6: ::1) – петлева адреса (loopback) «цей комп’ютер», дані до неї не виходять у мережу; 0.0.0.0 (::) у сервері означає «усі мережні інтерфейси»; 255.255.255.255 – широкомовна адреса локальної мережі. Адреси 10.x.x.x, 172.16–31.x.x і 192.168.x.x є приватними: їх використовують у домашніх і навчальних мережах. У .NET адресу описує клас IPAddress, а пару «адреса + порт» – клас IPEndPoint.

Порти ​

Порт (port) – число від 0 до 65 535, яке визначає програму на комп’ютері: на одній IP-адресі можуть одночасно працювати вебсервер, поштовий сервер і чат. Порти 0–1023 закріплені за відомими службами (HTTP – 80, HTTPS – 443, DNS – 53), 1024–49 151 можна реєструвати для застосунків, а 49 152–65 535 операційна система видає клієнтам тимчасово. Реєстр портів веде IANA (https://www.iana.org/assignments/service-names-port-numbers/service-names-port-numbers.xhtml). Приклади лекції використовують порти 5050–5070: вони не зайняті стандартними службами. Один порт одного протоколу на одній адресі може слухати лише одна програма.

Доменні імена та DNS ​

Людям зручніше пам’ятати імена (learn.microsoft.com), ніж адреси. Перетворення імені на адреси виконує служба DNS (Domain Name System), а в .NET – клас Dns (https://learn.microsoft.com/dotnet/api/system.net.dns):

cs
using System.Net;

IPAddress[] addresses = await Dns.GetHostAddressesAsync("localhost");
foreach (IPAddress address in addresses)
{
    Console.WriteLine($"{address,-24} {address.AddressFamily}");
}

Програма виводить дві адреси: ::1 (InterNetworkV6) і 127.0.0.1 (InterNetwork). Для сайту метод повертає одну або кілька адрес, які залежать від місця запиту.

Протоколи TCP і UDP ​

Транспортний рівень пропонує два основні протоколи (рис. 9.2).

TCP (Transmission Control Protocol, https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc9293) встановлює з’єднання (connection) трьома повідомленнями SYN, SYN-ACK, ACK (трійне рукостискання), нумерує байти, підтверджує отримання, повторно надсилає втрачені дані й віддає їх отримувачу в правильному порядку. Для програми з’єднання TCP виглядає як двонапрямлений потік байтів, подібний до файлу.

UDP (User Datagram Protocol, https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc768) з’єднання не встановлює: програма надсилає окремі дейтаграми (datagrams), кожна з яких доходить цілою, але може загубитися, продублюватися або прийти не в тому порядку. Зате UDP швидкий, не має затримок на встановлення з’єднання і підтримує широкомовне розсилання. TCP використовують веб, пошта, передавання файлів і чати, UDP – DNS, потокове відео й звук, ігри, пошук у мережі.

Рис. 9.2. Обмін даними за протоколами TCP і UDP

Клас Socket ​

Сокет (socket) – об’єкт операційної системи, через який програма надсилає й отримує дані мережею. У .NET його представляє клас Socket із простору імен System.Net.Sockets (https://learn.microsoft.com/dotnet/api/system.net.sockets.socket). Конструктор приймає три параметри: сімейство адрес AddressFamily (InterNetwork – IPv4, InterNetworkV6 – IPv6), тип сокета SocketType (Stream – потік, Dgram – дейтаграми) і протокол ProtocolType (Tcp, Udp).

Життєвий цикл сокетів TCP показано на рис. 9.3, а основні методи – у табл. 9.1. Сервер прив’язує (bind) сокет до адреси й порту, переводить його в режим прослуховування (listen) і приймає (accept) з’єднання: для кожного клієнта метод AcceptAsync повертає новий сокет, а слухаючий сокет чекає наступних клієнтів. Клієнт створює сокет і підключається (connect) до адреси й порту сервера; власний порт клієнта вибирає операційна система.

Рис. 9.3. Життєвий цикл сокетів сервера та клієнта

Таблиця 9.1. Основні методи класу Socket

МетодПризначення
Bind(EndPoint)прив’язати сокет до локальної адреси й порту
Listen(backlog)почати прослуховування; backlog – довжина черги ще не прийнятих з’єднань
AcceptAsync()дочекатися клієнта й отримати сокет для обміну з ним
ConnectAsync(EndPoint)підключитися до сервера
SendAsync(buffer)надіслати байти; повертає кількість надісланих байтів
ReceiveAsync(buffer)отримати доступні байти (від 1 до розміру буфера); 0 – співрозмовник закрив з’єднання
Shutdown(SocketShutdown)повідомити, що надсилання (Send), приймання (Receive) або обидва завершено
Close(), Dispose()звільнити сокет

Усі операції очікування мають асинхронні версії, що повертають Task або ValueTask і приймають CancellationToken. Асинхронний код (тема 5) не блокує потік, поки дані йдуть мережею, тому в серверах і застосунках з інтерфейсом використовують саме їх. Найпростіший ехо-сервер на «голих» сокетах повертає клієнту всі отримані байти:

cs
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

Console.OutputEncoding = Encoding.UTF8;

using var listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork,
    SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
listener.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Loopback, 5050));
listener.Listen(backlog: 10);
Console.WriteLine($"Сервер слухає {listener.LocalEndPoint}");

var buffer = new byte[4096];
while (true)
{
    using Socket handler = await listener.AcceptAsync();
    int received;
    // ReceiveAsync повертає 0, коли клієнт закрив з’єднання.
    while ((received = await handler.ReceiveAsync(buffer)) > 0)
    {
        await handler.SendAsync(buffer.AsMemory(0, received));
    }
    handler.Shutdown(SocketShutdown.Both);
}

Метод ReceiveAsync повертає стільки байтів, скільки вже надійшло, а не стільки, скільки надіслав клієнт одним викликом: одне надсилання може прийти частинами, а кілька надсилань – разом. Результат 0 означає, що клієнт завершив надсилання. Оператор using закриває сокет навіть у разі винятку. Детальний опис роботи з Socket: https://learn.microsoft.com/dotnet/fundamentals/networking/sockets/socket-services.