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= C# TCP编程 =

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在C#中，TCP编程通过'''System.Net.Sockets'''命名空间中的'''TcpListener'''和'''TcpClient'''类实现，用于构建客户端-服务器应用程序。

== 基本概念 ==
TCP协议提供以下关键特性：
* '''面向连接'''：通信前需建立连接（三次握手）
* '''可靠传输'''：通过确认机制和重传保证数据完整
* '''有序交付'''：数据按发送顺序到达
* '''流量控制'''：防止发送方淹没接收方

<mermaid>
sequenceDiagram
    participant Client
    participant Server
    Client->>Server: SYN
    Server->>Client: SYN-ACK
    Client->>Server: ACK
    Note right of Server: 连接建立
    Client->>Server: 数据包1
    Server->>Client: ACK1
    Client->>Server: 数据包2
    Server->>Client: ACK2
    Note left of Client: 数据传输
    Client->>Server: FIN
    Server->>Client: ACK+FIN
    Client->>Server: ACK
    Note right of Server: 连接关闭
</mermaid>

== 基础TCP服务器实现 ==
以下是简单TCP服务器示例：

<syntaxhighlight lang="csharp">
using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

class TcpServer
{
    static void Main()
    {
        // 1. 创建监听器
        TcpListener server = new TcpListener(IPAddress.Any, 8888);
        server.Start();
        Console.WriteLine("服务器已启动，等待连接...");

        // 2. 接受客户端连接
        TcpClient client = server.AcceptTcpClient();
        Console.WriteLine($"客户端已连接: {client.Client.RemoteEndPoint}");

        // 3. 获取网络流
        NetworkStream stream = client.GetStream();

        // 4. 读取客户端数据
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int bytesRead = stream.Read(buffer, 0, buffer.Length);
        string data = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead);
        Console.WriteLine($"收到数据: {data}");

        // 5. 发送响应
        string response = "消息已接收";
        byte[] responseData = Encoding.UTF8.GetBytes(response);
        stream.Write(responseData, 0, responseData.Length);

        // 6. 关闭连接
        client.Close();
        server.Stop();
    }
}
</syntaxhighlight>

== 基础TCP客户端实现 ==
对应服务器的客户端代码：

<syntaxhighlight lang="csharp">
using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;

class TcpClientExample
{
    static void Main()
    {
        // 1. 创建客户端并连接服务器
        TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 8888);
        Console.WriteLine("已连接到服务器");

        // 2. 获取网络流
        NetworkStream stream = client.GetStream();

        // 3. 发送数据
        string message = "Hello, Server!";
        byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(message);
        stream.Write(data, 0, data.Length);
        Console.WriteLine($"已发送: {message}");

        // 4. 接收响应
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int bytesRead = stream.Read(buffer, 0, buffer.Length);
        string response = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead);
        Console.WriteLine($"服务器响应: {response}");

        // 5. 关闭连接
        client.Close();
    }
}
</syntaxhighlight>

== 异步TCP编程 ==
对于需要处理多个连接的服务器，应使用异步方法：

<syntaxhighlight lang="csharp">
using System;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

class AsyncTcpServer
{
    static async Task Main()
    {
        TcpListener server = new TcpListener(IPAddress.Any, 8888);
        server.Start();
        Console.WriteLine("异步服务器已启动");

        while (true)
        {
            TcpClient client = await server.AcceptTcpClientAsync();
            _ = HandleClientAsync(client); // 不等待以接受新连接
        }
    }

    static async Task HandleClientAsync(TcpClient client)
    {
        try
        {
            using (client)
            using (NetworkStream stream = client.GetStream())
            {
                byte[] buffer = new byte[1024];
                int bytesRead = await stream.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
                string request = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead);
                Console.WriteLine($"收到: {request}");

                string response = $"ECHO: {request}";
                byte[] responseData = Encoding.UTF8.GetBytes(response);
                await stream.WriteAsync(responseData, 0, responseData.Length);
            }
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"客户端处理错误: {ex.Message}");
        }
    }
}
</syntaxhighlight>

== 实际应用案例 ==
'''聊天应用程序'''是TCP编程的典型应用：

1. '''服务器角色'''：
   * 维护所有连接的客户端列表
   * 接收消息并广播给所有客户端
   * 处理客户端连接/断开事件

2. '''客户端角色'''：
   * 连接服务器
   * 发送用户输入的消息
   * 显示来自其他客户端的消息

== 高级主题 ==
=== 协议设计 ===
TCP是字节流协议，需要应用层协议解决消息边界问题：

* '''固定长度'''：每条消息固定大小
* '''分隔符'''：使用特殊字符(如\\n)分隔消息
* '''长度前缀'''：消息前添加长度字段

=== 性能优化 ===
* 使用'''BufferManager'''减少内存分配
* 实现'''对象池'''重用TcpClient实例
* 使用'''SocketAsyncEventArgs'''进行高性能socket操作

=== 安全考虑 ===
* 使用'''SSLStream'''加密通信
* 实现身份验证机制
* 防范DoS攻击（连接限制、超时设置）

== 常见问题 ==
* '''Q: 如何处理连接断开？'''
  A: 捕获SocketException和IOException，错误代码10054表示连接重置

* '''Q: 为什么Read()会阻塞？'''
  A: 默认是阻塞模式，使用异步方法或设置ReceiveTimeout

* '''Q: 如何测试TCP应用？'''
  A: 使用telnet或nc(netcat)作为临时客户端

== 数学基础 ==
TCP拥塞控制使用以下算法：

<math>
CWND_{new} = \begin{cases}
CWND + 1 & \text{每RTT（慢启动）} \\
CWND + 1/CWND & \text{每ACK（拥塞避免）}
\end{cases}
</math>

其中CWND表示拥塞窗口大小，RTT是往返时间。

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