VB.NET(VB2022)でTCPクライアント(タスク処理)を実装

こんにちは、ENGかぴです。

VB.NET（Visual Basic 2022）でTCPクライアントをタスクを生成して処理する方法をまとめました。同期処理の接続要求や受信待機などをタスクで処理するためアプリが固まることなく他の処理が行えます。

Windowsフォームアプリケーション(.NETFramework)のデスクトップアプリを対象としています。以下はVisual Basic 2022をVB2022とします。

タスクを生成せずにTCPクライアントを非同期処理で行う方法を下記記事にまとめています。

VB.NET(VB2022)でTCPクライアント(非同期)を実装

外部機器として下記記事のArduino UNO（以下Arduinoとする）を使用しています。Arduinoはアプリの接続要求に対して応答するサーバーとして使用します。

ArduinoのEthernetライブラリでLAN通信する

VB.NET（VB2022）のデスクトップアプリで動作確認したことを下記リンクにまとめています。

VB.NET（VB2022）のデスクトップアプリ開発でできること

TCPクライアントの動作を確認するアプリ
1. コントロールの実装
2. 変数の宣言
TCP通信を行う方法
動作確認（デバッグ）
ソースコード全体
関連リンク

TCPクライアントの動作を確認するアプリ

TCP通信を行う接続先のIPアドレスとポートを入力して「接続」ボタンをクリックするとTCP通信の接続を行い、「送信」ボタンで横のテキストボックスに入力した文字列を送信します。

接続先からパケットを受信すると受信したパケットデータをテキストボックスに表示して確認できるようにします。

コントロールの実装

各種コントロールの追加方法を下記記事にまとめています。本記事でも同様のコントロールを流用して使用します。

VB.NET(VB2022)のUDP通信を非同期処理で行う方法

ツールボックスからコントロールを追加し、一部のプロパティを変更します。コントロールの名称はコントロールの追加の通りの番号の配置とします。

パケットのデータの表示及びTCP接続の管理を行うためのタイマとしてTimer1を追加します。タイマの使用方法は下記記事にまとめています。

VB.NET(VB2022)のタイマーの実装とイベントの追加方法

変数の宣言

アプリで共通する変数を宣言する場合はフォームクラス内で変数を宣言する必要があります。VBの場合はDimでメモリに変数を割り当てます。

Imports System.Net
Imports System.Net.NetworkInformation
Imports System.Net.Sockets
Imports System.Text

Public Class Form1
    Dim ClientTCP As TcpClient
    Dim cts As Threading.CancellationTokenSource
End Class

Form1クラス直前でインポート（Imports）しているものはネームスペースを使用する意味です。7行目のTcpClientはSystem.Net.SocketsネームスペースのTcpClientクラスでインスタンス化する宣言になります。インポートしない場合はSystem.Net.Socketsと記述する必要がありますが、名前の簡素化に従って省略するとネームスペースが自動で追加されます。

例ではアプリ全体で使用するTcpClientをインスタンス化しています。クラス内で宣言した場合はアプリを終了しない限りメモリを割り当てた状態になります。TcpClientはTCP接続やTCPパケットの送受信に使用します。

タスク処理で使用する変数について説明します。8行目のctsはSystem.ThreadingネームスペースのCancellationTokenSourceクラスでインスタンス化する宣言になります。ctsは受信待ちのタスクをキャンセルする場合に使用します。

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TCP通信を行う方法

TCP通信はパソコンのクライアントからArduinoのサーバーに対して接続要求を出し、接続の応答を受けるとTCPパケットの双方向通信ができるようになります。

TCP通信は接続先と1対1の双方向通信を行うため、UDP通信のように1対Nの通信は対応していませんが、プロトコルでパケットの再送や送信順番などを管理するためパケットを正確に伝送できるのが特徴です。

クライアントまたはサーバーが切断要求を出すと接続中のソケットを破棄する処理が進みますが、瞬時に破棄せずに一定期間ソケットを維持します。クライアントでTCP通信のポートを固定している場合は切断したソケットが完全に破棄されるまで次の接続ができなくなるため注意が必要です。

TCP接続を行う

System.Net.Socketsのネームスペースを使用します。TextBoxに入力したIPアドレスやポートを使用して接続先と接続を行います。Button1のクリックイベントに処理を追加します。

Private Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click

    If Button1.BackColor = Color.LightGreen Then
        remoteIp = TextBox1.Text & "." &
                   TextBox2.Text & "." &
                   TextBox3.Text & "." &
                   TextBox4.Text
        localPort = TextBox8.Text
        remotePort = TextBox5.Text
        ClientTCP = New TcpClient()
        Task.Run(
            Sub()
                Try
                    ClientTCP.Connect(remoteIp, remotePort)
                    If ClientTCP.Connected Then
                        RecvTask()
                    End If
                Catch ex As Exception
                End Try
            End Sub
        )
        clientstop = True
        Timer1.Enabled = True
    End If
End Sub

remoteIpは接続先のIPアドレスの文字列の生成に使用します。「192.168.11.2」のようにIPアドレスを生成するため文字列の”＆”を使用して連結して生成しています。remotePortは接続先のポートの指定に使用します。

TcpClientクラスを初期化してインスタンス化します。インスタンス化したClientTcpを使用してTCP通信の管理を行います。引数に接続先のIPやポートを指定するとTCP接続が開始するため引数はしていません。

ローカルポートを指定して初期化する方法もありますが、TCP通信はプロトコルの仕様上切断してもソケット情報がしばらく破棄されずに残るためローカルポートを指定しない方法が良い場合もあります。指定しない場合は空いたポートが自動で割り当てられます。

TCP接続とパケットの受信はタスクを生成して別のスレッドで行います。タスクはSystem.Threading.tasks.taskクラスのRun()メソッドの引数に処理を追加して生成します。

Connect()メソッドでTCP接続要求を出します。第1引数に接続先のIPアドレス（ホスト名）、第2引数に接続先のポート番号を指定します。接続に失敗した時、アプリが強制終了しないようにTry Catch文で処理を行います。接続に失敗するとConnect()メソッドのタスクは破棄されます。

接続が成功すると自作の関数RecvTask()関数に遷移して受信待ちのタスクをスタートします。

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TCPパケットを受信する

Private Sub RecvTask()
    Dim getByte(1000) As Byte
    Dim readcnt As Integer

    Invoke(
        Sub()
            TextBox7.Text = "スタート " & vbCrLf
        End Sub
    )
    taskstop = False
    cts = New Threading.CancellationTokenSource()

    While cts.Token.IsCancellationRequested = False
        If ClientTCP.Connected Then
            Try
                readcnt = ClientTCP.GetStream().Read(getByte, 0, getByte.Length)

                For i = 0 To readcnt - 1
                    RxRingSet(getByte(i))
                Next
            Catch ex As Exception

            End Try
        Else
            Exit While
        End If
    End While

    Invoke(
        Sub()
            TextBox7.Text &= vbCrLf & "接続停止"
        End Sub
    )
End Sub

RecvTask()関数はメイン処理とは別のタスク（スレッド）で動作します。そのためメイン処理のコントロールに直接アクセスすることができません。メイン処理のコントロールにアクセスする場合はInvoke()メソッドで生成したデリゲート（メイン処理とスレッドを繋げる門）を使用します。例ではTextBox7のTextプロパティに「スタート」と「接続停止」を指定しています。

Threading.CancellationTokenSource()メソッドでタスクのキャンセルに使用する変数（cts）をインスタンス化します。

タスクをキャンセルせずに次の接続を行うと終了していないタスクが残ってしまい不要なタスクが生成されたままになってしまいます。

TCPパケットの受信はWhile処理で繰り返して行います。タスクがキャンセルされない限りループを抜けずにパケットを受信するようにします。タスクのキャンセルやソケットの消失でアプリが強制終了しないようにTry catch文を使用して同期受信を行います。

パケットの受信はGetStream()のRead()メソッドを使用します。第1引数に読み込んだデータを格納する配列を指定します。第2引数にパケットの読み出しを開始位置を指定します。例ではパケットのデータをすべて取得するために0を指定しています。第3引数に読み出すデータ数を指定します。

戻り値にRead()メソッドで読み出したデータの数が格納されるため、表示用のデータに移し替えて格納します。表示用のデータに移し替えて格納しています。

Read()メソッドは同期受信するためメイン処理で使用するとアプリが占有されフリーズしたように固まってしまいますが、非同期のタスクで処理するためメイン処理に影響を与えることなくTCPパケットを受信することができます。

TCP接続を切断する

Private Sub Button2_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button2.Click
    If Button2.BackColor = Color.LightGreen Then
        If Button2.BackColor = Color.LightGreen Then
            cts.Cancel() 'タスクをキャンセル
            ClientTCP.Close()
        End If
    End If
End Sub

TCP接続はButton2をクリックして意図的に切断する場合とリンク不良などの意図せずに切断する場合について実装します。

TCP接続を切断する場合はタスクのキャンセルを行ってから行います。タスクのキャンセルはインスタンス化したctsのCancel()メソッドを使用します。

ctsのTokenプロパティはキャンセルの要求を受け付けるとIsCancellationRequestedがTrueになります。タスクの同期受信はタスクのキャンセルされない限り繰り返すようにしていますが、キャンセル要求によりTrueになるとループから抜け出しText7のTextプロパティに「接続停止」を表示してタスクを終了します。

Private Sub Timer1_Tick(sender As Object, e As EventArgs) Handles Timer1.Tick

    If ClientTCP.Connected = False Then
        If clientstop Then
            clientstop = False
            Button2.BackColor = Color.LightBlue
            Button1.BackColor = Color.LightGreen
            cts.Cancel() 'タスクをキャンセル
            ClientTCP.Close()'クライアントを破棄
            Timer1.Enabled = False
        End If
    End If
End Sub

ConnectedプロパティでTCP接続の状態を確認し、切断している場合は意図せずTCP接続が切断したと判断してタスクのキャンセルとクライアントを破棄します。

クライアントを破棄しますが、外部機器がソケットを破棄せず維持していることがあるため次の接続要求に直ちに応答するとは限りません。その場合は外部機器が接続応答ができるようになるまで待機する必要があります。

TCPパケットを送信する

Private Sub Button3_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button3.Click
    Dim data() As Byte = Encoding.GetEncoding("utf-8").GetBytes(TextBox6.Text)
    Dim buf(data.Length + 1) As Byte

    For i = 0 To data.Length - 1
        buf(i) = data(i)
    Next
    'CRLFを付加する場合に追加する
    buf(data.Length) = &HD
    buf(data.Length + 1) = &HA

    If ClientTCP IsNot Nothing Then
        Try
            ClientTCP.GetStream().Write(buf, 0, buf.Length)
        Catch ex As Exception

        End Try
    End If
End Sub

Button3をクリックした時にTCP接続中のクライアントが存在している場合、TextBox6に入力している文字列を「UTF-8」でエンコーディングしてGetStream()のWrite()メソッドで送信します。

第1引数に送信するデータのアドレス（配列）、第2引数に送信するデータの先頭のオフセット値を指定します。例では配列をすべて送信するため0を指定しています。第3引数に送信するデータのサイズを指定します。

クライアントが存在しない場合、アプリが強制終了するため、クライアントが存在を確認してから切断処理を行います。

動作確認（デバッグ）

パソコンとArduino UNO+Ehternet Shield Rev2をLANケーブル（クロス）で接続します。ArduinoのIPアドレスを192.168.11.2にしているのでパソコンのLANポートを同じクラスのIPアドレスとして192.168.11.100にしています。

Arduinoは電源を入れると５秒間隔で温湿度データを測定します。アプリでTCP接続するとサーバーのArduinoがクライアントを検出します。アプリからCRLF（0xD 0x0A）を送信するとArduinoは温湿度データを含めた文字列で応答します。アプリは応答した文字列をTextBox7に表示します。

動作確認のためデバッグを行います。デバッグの開始はエディタ上部の「▶開始」をクリックすると開始します。

アプリのComboBox1で使用可能なイーサーネットを選択します。接続先グループのTextBoxにArduinoのIPアドレス及びポートを指定します。Arduinoはポート80で接続待ちするのでポートは80にします。接続元のポートも80にしていますが自動で割り付けるため使用しません。

デバッグを繰り返し行う場合TextBoxのTextプロパティに直接IPアドレスやポート番号を指定しておくと入力する手間が省けるためスムーズにデバッグが行えます。

「接続」ボタンをクリックするとTCP接続を行います。接続に成功するとButton1の色がLightBlueになりButton2の色がLightGreenになります。タスクの生成の確認を行うためにTCP接続が成功した後でブレークでアプリを一時停止するとエディターのタスクの欄に生成中のタスクが表示されます。