TCP/UDP编程基础

一、UDP简介

Internet 协议集支持一个无连接的传输协议，该协议称为用户数据包协议（UDP，User Datagram Protocol）。UDP 为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包的方法。RFC 768 描述了 UDP。
Internet 的传输层有两个主要协议，互为补充。无连接的是 UDP，它除了给应用程序发送数据包功能并允许它们在所需的层次上架构自己的协议之外，几乎没有做什么特别的事情。面向连接的是 TCP，该协议几乎做了所有的事情。

1、报文格式

在UDP协议层次模型中，UDP位于IP层之上。应用程序访问UDP层然后使用IP层传送数据包。IP数据包的数据部分即为UDP数据包。IP层的报头指明了源主机和目的主机地址，而UDP层的报头指明了主机上的源端口和目的端口。UDP传输的段（segment）有8个字节的报头和有效载荷字段构成。
UDP报头由4个域组成，其中每个域各占用2个字节，具体包括源端口号、目标端口号、数据包长度、校验值。
①端口号
UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。UDP和TCP协议正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送一方（可以是客户端或服务器端）将UDP数据包通过源端口发送出去，而数据接收一方则通过目标端口接收数据。有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口；而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。因为UDP报头使用两个字节存放端口号，所以端口号的有效范围是从0到65535。一般来说，大于49151的端口号都代表动态端口。UDP端口号指定有两种方式：由管理机构指定端口和动态绑定的方式。
②长度
数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。因为报头的长度是固定的，所以该域主要被用来计算可变长度的数据部分（又称为数据负载）。数据报的最大长度根据操作环境的不同而各异。从理论上说，包含报头在内的数据报的最大长度为65535字节。不过，一些实际应用往往会限制数据报的大小，有时会降低到8192字节。
③校验值
UDP协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出，在传递到接收方之后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由此UDP协议可以检测是否出错。这与TCP协议是不同的，后者要求必须具有校验值。

2、协议对比

UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。TCP协议中包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确认消息；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。与TCP不同，UDP协议并不提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据包的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。因此，通常人们把UDP协议称为不可靠的传输协议。
TCP 是面向连接的传输控制协议，而UDP 提供了无连接的数据报服务；TCP 具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；UDP 在传输数据前不建立连接，不对数据报进行检查与修改，无须等待对方的应答，所以会出现分组丢失、重复、乱序，应用程序需要负责传输可靠性方面的所有工作；UDP 具有较好的实时性，工作效率较 TCP 协议高；UDP 段结构比 TCP 的段结构简单，因此网络开销也小。TCP 协议可以保证接收端毫无差错地接收到发送端发出的字节流，为应用程序提供可靠的通信服务。对可靠性要求高的通信系统往往使用 TCP 传输数据。

二、C#实现控制台输出

1、环境搭建

安装并打开vs2019

2、项目实现

①新建项目

②添加代码

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace hello
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            for(int i = 1; i <= 50; i++)
            {
                Console.WriteLine("hello cqjtu！重交物联2019级"+i);
            }
            System.Console.ReadKey();
        }
    }
}

三、C#控制台运用套接字实现发送消息

1、新建项目

本次实验通过同一台电脑进行发送接收

2、添加代码

发送端

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;


namespace UDP
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //提示信息
            Console.WriteLine("按下任意按键开始发送...");
            Console.ReadKey();

            int m;
    
            //做好链接准备
            UdpClient client = new UdpClient();  //实例一个端口
            IPAddress remoteIP = IPAddress.Parse("10.60.61.208");  //假设发送给这个IP
            int remotePort = 11000;  //设置端口号
            IPEndPoint remotePoint = new IPEndPoint(remoteIP, remotePort);  //实例化一个远程端点 
    
            for (int i = 0; i < 50; i++)
            {
                //要发送的数据：hello cqjtu！重交物联2019级
                string sendString = null;
                m = i + 1;
                sendString += "hello cqjtu！重交物联2019级";
                sendString += m.ToString();
    
                //定义发送的字节数组
                //将字符串转化为字节并存储到字节数组中
                byte[] sendData = null;
                sendData = Encoding.Default.GetBytes(sendString);
    
                client.Send(sendData, sendData.Length, remotePoint);//将数据发送到远程端点 
            }
            client.Close();//关闭连接
    
            //提示信息
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("数据发送成功，按任意键退出...");
            System.Console.ReadKey();
        }
    }

}

接受端：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int result;
            string str = "hello cqjtu！重交物联2019级50";
            UdpClient client = new UdpClient(11000);
            string receiveString = null;
            byte[] receiveData = null;
            //实例化一个远程端点，IP和端口可以随意指定，等调用client.Receive(ref remotePoint)时会将该端点改成真正发送端端点 
            IPEndPoint remotePoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
            Console.WriteLine("正在准备接收数据...");
            while (true)
            {
                receiveData = client.Receive(ref remotePoint);//接收数据 
                receiveString = Encoding.Default.GetString(receiveData);
                Console.WriteLine(receiveString);
                result = String.Compare(receiveString, str);
                if (result == 0)
                {
                    break;
                }
            }
            client.Close();//关闭连接
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("数据接收完毕，按任意键退出...");
            System.Console.ReadKey();
        }
    }

}

运行进行发送

3、实验结果

四、C#窗口运用套接字实现发送消息

1、新建项目

设置文本框和按钮属性

代码添加：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;

namespace vsudp
{
    public partial class UserControl1: UserControl
    {
        public UserControl1()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            try
            {
                /*
                 * 显示当前时间
                 */
                string str = "The current time: ";
                str += DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                /*
                 * 做好连接准备
                 */
                int port = 2000;
                string host = "10.60.61.208";//我的IP地址
                IPAddress ip = IPAddress.Parse(host);
                IPEndPoint ipe = new IPEndPoint(ip, port);//把ip和端口转化为IPEndPoint实例
                Socket c = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);//创建一个Socket
                /*
                 * 开始连接
                 */
                str = "Connect to server...";
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                c.Connect(ipe);//连接到服务器
                /*
                 *发送消息 
                 */
                string sendStr = textBox1.Text;
                str = "The message content: " + sendStr;
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                byte[] bs = Encoding.UTF8.GetBytes(sendStr);
                str = "Send the message to the server...";
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                c.Send(bs, bs.Length, 0);//发送信息
                /*
                 * 接收服务器端的反馈信息
                 */
                string recvStr = "";
                byte[] recvBytes = new byte[1024];
                int bytes;
                bytes = c.Receive(recvBytes, recvBytes.Length, 0);//从服务器端接受返回信息
                recvStr += Encoding.UTF8.GetString(recvBytes, 0, bytes);
                str = "The server feedback: " + recvStr;//显示服务器返回信息
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
                /*
                 * 关闭socket
                 */
                c.Close();
            }
            catch (ArgumentNullException f)
            {
                string str = "ArgumentNullException: " + f.ToString();
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
            }
            catch (SocketException f)
            {
                string str = "ArgumentNullException: " + f.ToString();
                textBox2.AppendText(str + Environment.NewLine);
            }
            textBox2.AppendText("" + Environment.NewLine);
            textBox1.Text = "";
        }


        private void textBox1_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {
    
        }
    }
}

在新建一个控制台程序，添加如下代码

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace jieshou
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            /*
             * 做好连接准备
             */
            int i = 0;
            int port = 2000;
            string host = "10.60.61.208";
            IPAddress ip = IPAddress.Parse(host);
            IPEndPoint ipe = new IPEndPoint(ip, port);
            Socket s = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);//创建一个Socket类
            s.Bind(ipe);//绑定2000端口
            /*
             * 循环监听并处理消息
             */
            while (true)
            {
                i++;
                try
                {
                    Console.Write("Perform operations {0} :", i);
                    Console.WriteLine("\t-----------------------------------------------");
                    s.Listen(0);//开始监听
                    Console.WriteLine("1. Wait for connect...");
                    /*
                     * 实例一个新的socket端口
                     */
                    Socket temp = s.Accept();//为新建连接创建新的Socket。
                    Console.WriteLine("2. Get a connect");
                    /*
                     * 接收客户端发的消息并做解码处理
                     */
                    string recvStr = "";
                    byte[] recvBytes = new byte[1024];
                    int bytes;
                    bytes = temp.Receive(recvBytes, recvBytes.Length, 0);//从客户端接受信息
                    recvStr += Encoding.UTF8.GetString(recvBytes, 0, bytes);
                    Console.WriteLine("3. Server Get Message:{0}", recvStr);//把客户端传来的信息显示出来
                    /*
                     * 返回给客户端连接成功的消息
                     */
                    string sendStr = "Ok!Client send message sucessful!";
                    byte[] bs = Encoding.UTF8.GetBytes(sendStr);
                    temp.Send(bs, bs.Length, 0);//返回客户端成功信息
                    /*
                     * 关闭端口
                     */
                    temp.Close();
                    Console.WriteLine("4. Completed...");
                    Console.WriteLine("-----------------------------------------------------------------------");
                    Console.WriteLine("");
                    //s.Close();//关闭socket（由于再死循环中，所以不用写，但如果是单个接收，实例socket并完成任务后需关闭）
                }
                catch (ArgumentNullException e)
                {
                    Console.WriteLine("ArgumentNullException: {0}", e);
                }
                catch (SocketException e)
                {
                    Console.WriteLine("SocketException: {0}", e);
                }
            }
        }
    }

}

3、实验结果

五、利用winshark进行抓包

过滤IP地址：

1. ip.addr == 192.168.1.1 过滤该地址的包
2. ip.src == 172.16.1.1 过滤源地址为该地址的包

过滤端口：

1. tcp.port == 80 过滤tcp中端口号为80的包
2. tcp.flags.syn == 1 过滤syn请求为1的包

结合逻辑符综合过滤：

ip.src == 192.168.1.1 and ip.dst == 172.16.1.1

六、C#单线程和多线程的应用比较：端口扫描器

1、单线程

①新建一个窗口项目
②设置以下布局


这里以label3为例修改属性：

③代码编写：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Drawing;
using System.Data;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading;

namespace danxianchen
{
    public partial class UserControl1: UserControl
    {
        public UserControl1()
        {
            InitializeComponent();
        }
        //主机地址
        private string hostAddress;
        //起始端口
        private int start;
        //终止端口
        private int end;
        //端口号
        private int port;
        //定义线程对象
        private Thread scanThread;
        
        private void textBox1_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void label1_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void label4_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void textBox2_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void textBox3_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void progressBar1_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            try
            {
                //初始化
                textBox4.Clear();
                label4.Text = "0%";
                //获取ip地址和始末端口号
                hostAddress = textBox1.Text;
                start = Int32.Parse(textBox2.Text);
                end = Int32.Parse(textBox3.Text);
                if (decideAddress())
                {
                    //让输入的textbox只读，无法改变
                    textBox1.ReadOnly = true;
                    textBox2.ReadOnly = true;
                    textBox3.ReadOnly = true;
                    //设置进度条的范围
                    progressBar1.Minimum = start;
                    progressBar1.Maximum = end;
                    //显示框显示
                    textBox4.AppendText("端口扫描器 v1.0.0" + Environment.NewLine + Environment.NewLine);
                    //调用端口扫描函数
                    PortScan();
                }
                else
                {
                    //若端口号不合理，弹窗报错
                    MessageBox.Show("输入错误，端口范围为[0-65536]!");
                }
            }
            catch
            {
                //若输入的端口号为非整型，则弹窗报错
                MessageBox.Show("输入错误，端口范围为[0-65536]!");
            }
        }
        private bool decideAddress()
        {
            //判断端口号是否合理
            if ((start >= 0 && start <= 65536) && (end >= 0 && end <= 65536) && (start <= end))
                return true;
            else
                return false;
        }
        private void PortScan()
        {
            double x;
            string xian;
            //显示扫描状态
            textBox4.AppendText("开始扫描...（可能需要请您等待几分钟）" + Environment.NewLine + Environment.NewLine);
            //循环抛出线程扫描端口
            for (int i = start; i <= end; i++)
            {
                x = (double)(i - start + 1) / (end - start + 1);
                xian = x.ToString("0%");
                port = i;
                //调用端口i的扫描操作
                Scan();
                //进度条值改变
                label4.Text = xian;
                label4.Refresh();
                progressBar1.Value = i;
            }
            textBox4.AppendText(Environment.NewLine + "扫描结束！" + Environment.NewLine);
            //输入框textbox只读属性取消
            textBox1.ReadOnly = false;
            textBox2.ReadOnly = false;
            textBox3.ReadOnly = false;
        }
        private void Scan()
        {
            int portnow = port;
            //创建TcpClient对象，TcpClient用于为TCP网络服务提供客户端连接
            TcpClient objTCP = null;
            try
            {
                //用于TcpClient对象扫描端口
                objTCP = new TcpClient(hostAddress, portnow);
                //扫描到则显示到显示框
                textBox4.AppendText("端口 " + port + " 开放！" + Environment.NewLine);
            }
            catch
            {
                //未扫描到，则会抛出错误
            }
        }

        private void textBox4_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void label2_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void label3_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }
    }
}

④结果


这里等待时间太久（跳过）

2、多线程

①新建窗口项目
②复制单线程的布局

添加代码：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Drawing;
using System.Data;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading;

namespace duoxiancheng
{
    public partial class UserControl1: UserControl
    {
        public UserControl1()
        {
            InitializeComponent();
            CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
        }
        //主机地址
        private string hostAddress;
        //起始端口
        private int start;
        //终止端口
        private int end;
        //端口号
        private int port;
        //定义线程对象
        private Thread scanThread;
        //定义端口状态数据（开放则为true，否则为false）
        private bool[] done = new bool[65526];
        private bool OK;

        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            try
            {
                //初始化
                textBox4.Clear();
                label4.Text = "0%";
                //获取ip地址和始末端口号
                hostAddress = textBox1.Text;
                start = Int32.Parse(textBox2.Text);
                end = Int32.Parse(textBox3.Text);
                if (decideAddress())
                {
                    textBox1.ReadOnly = true;
                    textBox2.ReadOnly = true;
                    textBox3.ReadOnly = true;
                    //创建线程，并创建ThreadStart委托对象
                    Thread process = new Thread(new ThreadStart(PortScan));
                    process.Start();
                    //设置进度条的范围
                    progressBar1.Minimum = start;
                    progressBar1.Maximum = end;
                    //显示框显示
                    textBox4.AppendText("端口扫描器 v1.0.0" + Environment.NewLine + Environment.NewLine);
                }
                else
                {
                    //若端口号不合理，弹窗报错
                    MessageBox.Show("输入错误，端口范围为[0-65536]!");
                }
            }
            catch
            {
                //若输入的端口号为非整型，则弹窗报错
                MessageBox.Show("输入错误，端口范围为[0-65536]!");
            }
        }
        private bool decideAddress()
        {
            //判断端口号是否合理
            if ((start >= 0 && start <= 65536) && (end >= 0 && end <= 65536) && (start <= end))
                return true;
            else
                return false;
        }
        private void PortScan()
        {
            double x;
            string xian;
            //显示扫描状态
            textBox4.AppendText("开始扫描...（可能需要请您等待几分钟）" + Environment.NewLine + Environment.NewLine);
            //循环抛出线程扫描端口
            for (int i = start; i <= end; i++)
            {
                x = (double)(i - start + 1) / (end - start + 1);
                xian = x.ToString("0%");
                port = i;
                //使用该端口的扫描线程
                scanThread = new Thread(new ThreadStart(Scan));
                scanThread.Start();
                //使线程睡眠
                System.Threading.Thread.Sleep(100);
                //进度条值改变
                label4.Text = xian;
                progressBar1.Value = i;
            }
            while (!OK)
            {
                OK = true;
                for (int i = start; i <= end; i++)
                {
                    if (!done[i])
                    {
                        OK = false;
                        break;
                    }
                }
                System.Threading.Thread.Sleep(1000);
            }
            textBox4.AppendText(Environment.NewLine + "扫描结束！" + Environment.NewLine);
            textBox1.ReadOnly = false;
            textBox2.ReadOnly = false;
            textBox3.ReadOnly = false;
        }
        private void Scan()
        {
            int portnow = port;
            //创建线程变量
            Thread Threadnow = scanThread;
            //扫描端口，成功则写入信息
            done[portnow] = true;
            //创建TcpClient对象，TcpClient用于为TCP网络服务提供客户端连接
            TcpClient objTCP = null;
            try
            {
                //用于TcpClient对象扫描端口
                objTCP = new TcpClient(hostAddress, portnow);
                //扫描到则显示到显示框
                textBox4.AppendText("端口 " + port + " 开放！" + Environment.NewLine);
            }
            catch
            {
                //未扫描到，则会抛出错误
            }
        }


        private void label4_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void progressBar1_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void label3_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void label2_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void label1_Click(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void textBox4_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void textBox3_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void textBox2_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {

        }

        private void textBox1_TextChanged(object sender, EventArgs e)
        {

        }
    }
}

③运行结果

不难看出速度明显变快且扫描到开放端口为135.

七、参考博客

https://blog.csdn.net/ssj925319/article/details/109336123
https://blog.csdn.net/xiayun1995/article/details/87089494
https://blog.csdn.net/ssj925319/article/details/109688125