IP 知多少？（下）
4. IP终结点
现在介绍.NET网络开发中最重要的一个概念——IP终结点，.NET基类库中使用IPEndPoint类型代表它。
要想理解它，还得从TCP/IP说起。
前面说过，所有连在网络上的计算机都必须要有一个唯一的IP地址，它用于区分开网络上的不同计算机，现在的问题是：一台网络计算机上可能跑着多个网络应用程序，它们可能会使用同一个网络接口从网络中接收（或发送）数据，因而共享同一个IP地址，在这种情况下，你怎么将到达主机的数据包转发给真正的“需求者”？
为了解决这个问题，TCP/IP协议设计者引入了“端口（Port）”这个概念，规定每个提供网络服务的应用程序都必须指定一个“端口”，不同的网络应用程序不能使用相同的端口。
请看以下TCP数据包的结构：
图 4
每个TCP数据包都包容着两个端口信息（每个端口占2个字节，是一个16位的二进制数值，所以，最大端口值为2的16次方减1，为65535）。Source port指明发送此数据包的网络应用程序使用的端口，Destination port指明接收方网络应用程序使用的端口。
这样一来，接收方计算机依据Destination port，就可以把此数据包转发给真正的网络应用程序。
在Windows平台上，操作系统内核中的TCP/IP驱动（\Windows\System32\drivers文件夹下的tcpip.sys）负责完成处理TCP数据包的工作。
端口的问题解决了，但我们在TCP数据包中没有看到IP地址啊？没有这个地址，数据包怎样知道应该被送给哪台计算机？
方法是这样的。
由于TCP协议建构于IP协议之上， TCP数据包由IP数据包承载，（图5）。
图 5
图5中清晰地展示出IP数据包中包容有发送此数据包的主机IP地址（即Source IP Address）和接收此数据包的主机IP地址（即Destination IP Address）信息。
图5中的“数据（Data）”部分，包容的就是TCP数据包。
由此可知，IP地址与端口唯一地标识了一个网络中的网络应用程序，我们将这个组合称为“IP终结点（IP EndPoint）”，IP EndPoint是一个网络服务的访问点。
提示：
类似地，WCF中也有一个服务终结点（ServiceEndpoint），它代表一个WCF服务的访问点。大家看到了软件技术各领域之间的联系了吗？
在.NET中，使用IPEndPoint类表示一个IP终结点（图6），它派生自抽象基类EndPoint，注意它的3个属性（Address\AddressFamily\Port）所表达的重要信息。
图 6
在.NET网络应用程序中，套接字（Socket）对象必须绑定到一个IPEndPoint对象。
为了方便，我们编写了一个静态方法GetRemoteMachineIPEndPoint，并将其添加到前面介绍过的AddressHelper静态类中：
public static IPEndPoint GetRemoteMachineIPEndPoint()
{
IPEndPoint iep = null;
try
{
Console.Write("请输入远程主机的IP地址：");
IPAddress address = IPAddress.Parse(Console.ReadLine());
Console.Write("请输入远程主机打开的端口号：");
int port = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
if (port > 65535 || port < 1024)
throw new Exception("端口号应该为[1024,65535]范围内的整数");
iep = new IPEndPoint(address, port);
}
catch (ArgumentNullException)
{
Console.WriteLine("输入的数据有误！");
}
catch (FormatException)
{
Console.WriteLine("输入的数据有误！");
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
return iep;
}
后面的示例将大量使用此方法创建可供Socket绑定的IP终结点对象。
5. 我可以使用哪个端口？
在实际开发中，经常需要为某个网络服务动态地指定一个端口，为避免与一些重要的网络服务程序冲突（比如80端口固定为Web服务器所使用）通常要求这个端口应位于[1024,65535]这区间内。
现在的问题是怎样从中选取一个没有被占用的端口？要知道，某台计算机上运行的网络应用程序可能有多个，而且在不同的时间段内也不一样。
IPAddress.Any这个特殊的地址可以派上用场了，当一个套接字对象绑定一个IPAddress.Any对象，并给其指定端口号为0时，Windows会自动为其分配一个未被占用的端口号，当套接字对象不再使用而可以被回收时，此端口将可以被复用。
由此我们可以得到以下的思路：
创建一个套接字对象，让它绑定到IPAddress.Any对象，提取出系统分配的端口，然后再销毁掉此套接字对象。
Socket对象实现了IDisposable接口，所以可以使用using关键字来自动回收其占用的资源：
以下是我们编写的代码片段：
{
IPEndPoint ep = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
using (Socket tempSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork,
SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp))
{
tempSocket.Bind(ep);
IPEndPoint ipep = tempSocket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
return ipep.Port;
}
}
提示：
一个对象实现IDisposable接口有许多讲究，.NET为此设计了一个“IDisposable编程模式”，请参看《.NET 4.0面向对象编程漫谈》的5.5节《与对象销毁相关的话题》
呵呵，现在，我们在应用程序中可以随时调用AddressHelper. GetOneAvailablePortInLocalhost()方法获取一个可用端口了，真给力！
但别高兴得太早！
你考虑过两个网络应用程序（或同一应用程序的两个线程）同时调用上述方法获取可用端口的情形吗？
这时，无法保证此方法的两次调用一定返回不同的端口。如果两个Socket对象尝试绑定到同一个IPEndPoint，将会引发一个SocketException异步。
为此，我们需要一个能跨越进程边界的线程同步手段。
命名的互斥同步对象Mutex可以解决这个问题，修正后的代码如下：
public static int GetOneAvailablePortInLocalhost()
{
Mutex mtx = new Mutex(false, "MyNetworkLibrary.AddressHelper.GetOneAvailablePort");
try
{
mtx.WaitOne();
IPEndPoint ep = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
using (Socket tempSocket = new Socket(
AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp))
{
tempSocket.Bind(ep);
IPEndPoint ipep = tempSocket.LocalEndPoint as IPEndPoint;
return ipep.Port;
}
}
finally
{
mtx.ReleaseMutex();
}
}
提示：
《.NET 4.0面向对象编程漫谈》的17.3.2节详细介绍了Mutex对象的使用方法，15.3.5节介绍了如何活用命名Mutex对象实现应用程序的“单例模式”（即此应用程序不允许同时启动两个进程），以及如何利用它来现进程间的“通知机制”。建议读者对照学习。
其实严格地说，除非将获取可用端口号以及后继的Socket对象绑定工作一起用Mutex“保护”起来，否则上述修改过的代码还是有可能得到一样的端口号的， 但这种可能性非常低，就算发生了，也可以很容易地使用异常捕获方法处理Socket对象绑定异常，再次尝试将其绑定到一个新的可用端口。
好了，本文就写到这里吧。
给读者留个作业：
1 依据本文介绍的内容使用Visual Studio创建类库项目MyNetworkLibrary，将GetLocalhostIPv4Addresses()、GetRemoteMachineIPEndPoint()、GetOneAvailablePortInLocalhost()三个方法封装到AddressHelper静态类中，后面文章的示例将调用它们。
2 .NET基类库中提供了一个Ping组件用于检测网络连接性，请先通过MSDN自学它的使用方法。
后一篇文章——《我在“网”中央》（暂名）将介绍这方面的内容。