JAVA网络编程之Socket

一，网络编程中两个主要的问题
一个是如何准确的定位网络上一台或多台主机，另一个就是找到主机后如何可靠高效的进行数据传输。
在TCP/IP协议中IP层主要负责网络主机的定位，数据传输的路由，由IP地址可以唯一地确定Internet上的一台主机。

而TCP层则提供面向应用的可靠（tcp）的或非可靠（UDP）的数据传输机制，这是网络编程的主要对象，一般不需要关心IP层是如何处理数据的。
目前较为流行的网络编程模型是客户机/服务器（C/S）结构。即通信双方一方作为服务器等待客户提出请求并予以响应。客户则在需要服务时向服务器提出申请。服务器一般作为守护进程始终运行，监听网络端口，一旦有客户请求，就会启动一个服务进程来响应该客户，同时自己继续监听服务端口，使后来的客户也能及时得到服务。

二，两类传输协议：TCP；UDP
TCP是Tranfer Control Protocol的 简称，是一种面向连接的保证可靠传输的协议。通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个socket之间必须建 立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个socket（通常都是server socket）等待建立连接时，另一个socket可以要求进行连接，一旦这两个socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送或接收操作。
UDP是User Datagram Protocol的简称，是一种无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。

比较：
UDP：
1，每个数据报中都给出了完整的地址信息，因此无需要建立发送方和接收方的连接。
2，UDP传输数据时是有大小限制的，每个被传输的数据报必须限定在64KB之内。
3，UDP是一个不可靠的协议，发送方所发送的数据报并不一定以相同的次序到达接收方
TCP：
1，面向连接的协议，在socket之间进行数据传输之前必然要建立连接，所以在TCP中需要连接时间。
2，TCP传输数据大小限制，一旦连接建立起来，双方的socket就可以按统一的格式传输大的数据。
3，TCP是一个可靠的协议，它确保接收方完全正确地获取发送方所发送的全部数据。

应用：
1，TCP在网络通信上有极强的生命力，例如远程连接（Telnet）和文件传输（FTP）都需要不定长度的数据被可靠地传输。但是可靠的传输是要付出代价的，对数据内容正确性的检验必然占用计算机的处理时间和网络的带宽。
2，UDP操作简单，而且仅需要较少的监护，因此通常用于局域网高可靠性的分散系统中client/server应用程序。例如视频会议系统，并不要求音频视频数据绝对的正确，只要保证连贯性就可以了，这种情况下显然使用UDP会更合理一些。

三，基于Socket的java网络编程
1，什么是Socket
网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个Socket。Socket通常用来实现客户方和服务方的连接。Socket是TCP/IP协议的一个十分流行的编程界面，一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定。
但是，Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种，因此两者之间是没有必然联系的。在Java环境下，Socket编程主要是指基于TCP/IP协议的网络编程。

2，Socket通讯的过程
Server 端Listen(监听)某个端口是否有连接请求，Client端向Server 端发出Connect(连接)请求，Server端向Client端发回Accept（接受）消息。一个连接就建立起来了。Server端和Client 端都可以通过Send，Write等方法与对方通信。
对于一个功能齐全的Socket，都要包含以下基本结构，其工作过程包含以下四个基本的步骤：
　　（1） 创建Socket；
　　（2） 打开连接到Socket的输入/出流；
　　（3） 按照一定的协议对Socket进行读/写操作；
（4） 关闭Socket.（在实际应用中，并未使用到显示的close，虽然很多文章都推荐如此，不过在我的程序中，可能因为程序本身比较简单，要求不高，所以并未造成什么影响。）

3，创建Socket
java在包java.net中提供了两个类Socket和ServerSocket，分别用来表示双向连接的客户端和服务端。这是两个封装得非常好的类，使用很方便。其构造方法如下：
　　

Socket(InetAddress address, int port);
　　Socket(InetAddress address, int port, boolean stream);
　　Socket(String host, int prot);
　　Socket(String host, int prot, boolean stream);
　　Socket(SocketImpl impl)
　　Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort)
　　Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr, int localPort)
　　ServerSocket(int port);
　　ServerSocket(int port, int backlog);
　　ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)

　　其中address、host和port分别是双向连接中另一方的IP地址、主机名和端口号，stream指明socket是流socket还是数据报socket，localPort表示本地主机的端口号，localAddr和 bindAddr是本地机器的地址（ServerSocket的主机地址），impl是socket的父类，既可以用来创建serverSocket又可以用来创建Socket。count则表示服务端所能支持的最大连接数。例如：
　　Socket client = new Socket(“127.0.01.”, 80);
　　ServerSocket server = new ServerSocket(80);
　　注意，在选择端口时，必须小心。每一个端口提供一种特定的服务，只有给出正确的端口，才能获得相应的服务。0~1023的端口号为系统所保留，例如http服务的端口号为80,telnet服务的端口号为21,ftp服务的端口号为23, 所以我们在选择端口号时，最好选择一个大于1023的数以防止发生冲突。
在创建socket时如果发生错误，将产生IOException，在程序中必须对之作出处理。所以在创建Socket或ServerSocket是必须捕获或抛出例外。

4，简单的Client/Server程序
1. 客户端程序
　　

import java.io.*;
　　import java.net.*;
　　public class TalkClient {
　　　　public static void main(String args[]) {
　　　　　　try{
　　　　　　　　Socket socket=new Socket("127.0.0.1",4700);
　　　　　　　　//向本机的4700端口发出客户请求
　　　　        BufferedReader sin= 
                          new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
　　　　　　　　//由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
　　　　　　　　PrintWriter os=new PrintWriter(socket.getOutputStream());
　　　　　　　　//由Socket对象得到输出流，并构造PrintWriter对象
　              BufferedReader s=new BufferedReader(
                          new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
　　　　　　　　//由Socket对象得到输入流，并构造相应的BufferedReader对象
　　　　　　　　String readline;
　　　　　　　　readline=sin.readLine(); //从系统标准输入读入一字符串
　　　　　　　　while(!readline.equals("bye")){
　　　　　　　　//若从标准输入读入的字符串为 "bye"则停止循环
　　　　　　　　　　os.println(readline);
　　　　　　　　　　//将从系统标准输入读入的字符串输出到Server
　　　　　　　　　　os.flush();
　　　　　　　　　　//刷新输出流，使Server马上收到该字符串
　　　　　　　　　　System.out.println("Client:"+readline);
　　　　　　　　　　//在系统标准输出上打印读入的字符串
　　　　　　　　　　System.out.println("Server:"+is.readLine());
　　　　　　　　　　//从Server读入一字符串，并打印到标准输出上
　　　　　　　　　　readline=sin.readLine(); //从系统标准输入读入一字符串
　　　　　　　　} //继续循环
　　　　　　　　os.close(); //关闭Socket输出流
　　　　　　　　is.close(); //关闭Socket输入流
　　　　　　　　socket.close(); //关闭Socket
　　　　　　}catch(Exception e) {
　　　　　　　　System.out.println("Error"+e); //出错，则打印出错信息
　　　　　　}
　　}
}

　2. 服务器端程序
　

　import java.io.*;
　　import java.net.*;
　　import java.applet.Applet;
　　public class TalkServer{
　　　　public static void main(String args[]) {
　　　　　　try{
　　　　　　　　ServerSocket server=null;
　　　　　　　　try{
　　　　　　　　　　server=new ServerSocket(4700);
　　　　　　　　//创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求
　　　　　　　　}catch(Exception e) {
　　　　　　　　　　System.out.println("can not listen to:"+e);
　　　　　　　　//出错，打印出错信息
　　　　　　　　}
　　　　　　　　Socket socket=null;
　　　　　　　　try{
　　　　　　　　　　socket=server.accept();
　　　　　　　　　　//使用accept()阻塞等待客户请求，有客户
　　　　　　　　　　//请求到来则产生一个Socket对象，并继续执行
　　　　　　　　}catch(Exception e) {
　　　　　　　　　　System.out.println("Error."+e);
　　　　　　　　　　//出错，打印出错信息
　　　　　　　　}
　　　　　　　　String line;
　　　　　　　　BufferedReader is=new BufferedReader(
                        new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
　　　　　　　　　//由Socket对象得到输入流，并构造相应的BufferedReader对象
　　　　　　　　PrintWriter os=new PrintWriter(socket.getOutputStream());
　　　　　　　　　//由Socket对象得到输出流，并构造PrintWriter对象
　　　　　　　　BufferedReader sin=
                        new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
　　　　　　　　　//由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
　　　　　　　　System.out.println("Client:"+is.readLine());
　　　　　　　　//在标准输出上打印从客户端读入的字符串
　　　　　　　　line=sin.readLine();
　　　　　　　　//从标准输入读入一字符串
　　　　　　　　while(!line.equals("bye")){
　　　　　　　　//如果该字符串为 "bye"，则停止循环
　　　　　　　　　　os.println(line);
　　　　　　　　　　//向客户端输出该字符串
　　　　　　　　　　os.flush();
　　　　　　　　　　//刷新输出流，使Client马上收到该字符串
　　　　　　　　　　System.out.println("Server:"+line);
　　　　　　　　　　//在系统标准输出上打印读入的字符串
　　　　　　　　　　System.out.println("Client:"+is.readLine());
　　　　　　　　　　//从Client读入一字符串，并打印到标准输出上
　　　　　　　　　　line=sin.readLine();
　　　　　　　　　　//从系统标准输入读入一字符串
　　　　　　　　} 　//继续循环
　　　　　　　　os.close(); //关闭Socket输出流
　　　　　　　　is.close(); //关闭Socket输入流
　　　　　　　　socket.close(); //关闭Socket
　　　　　　　　server.close(); //关闭ServerSocket
　　　　　　}catch(Exception e){
　　　　　　　　System.out.println("Error:"+e);
　　　　　　　　//出错，打印出错信息
　　　　　　}
　　　　}
　　}

5，支持多客户的client/server程序
前面的Client/Server程序只能实现Server和一个客户的对话。在实际应用中，往往是在服务器上运行一个永久的程序，它可以接收来自其他多个客户端的请求，提供相应的服务。为了实现在服务器方给多个客户提供服务的功能，需要对上面的程序进行改造，利用多线程实现多客户机制。服务器总是在指定的端口上监听是否有客户请求，一旦监听到客户请求，服务器就会启动一个专门的服务线程来响应该客户的请求，而服务器本身在启动完线程之后马上又进入监听状态，等待下一个客户的到来。

ServerSocket serverSocket=null;
　　　　boolean listening=true;
　　　　try{
　　　　　　serverSocket=new ServerSocket(4700);
　　　　　　//创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求
　　　　}catch(IOException e) {　　}
　　　　while(listening){ //永远循环监听
　　　　　　new ServerThread(serverSocket.accept(),clientnum).start();
　　　　　　//监听到客户请求，根据得到的Socket对象和
　　　　　　　客户计数创建服务线程，并启动之
　　　　　　clientnum++; //增加客户计数
　　　　}
　　　　serverSocket.close(); //关闭ServerSocket

设计ServerThread类
　

public class ServerThread extends Thread{
　　　Socket socket=null; //保存与本线程相关的Socket对象
　　　int clientnum; //保存本进程的客户计数
　　　public ServerThread(Socket socket,int num) { //构造函数
　　　　this.socket=socket; //初始化socket变量
　　　　clientnum=num+1; //初始化clientnum变量
　　　}
　　　public void run() { //线程主体
　　　　try{//在这里实现数据的接受和发送}

四，Datagram通讯
在TCP/IP协议的传输层除了TCP协议之外还有一个UDP协议，相比而言UDP的应用不如TCP广泛，几个标准的应用层协议HTTP，FTP，SMTP…使用的都是TCP协议。但是，UDP协议可以应用在需要很强的实时交互性的场合，如网络游戏，视频会议等。
1，什么是Datagram
数据报（Datagram）就跟日常生活中的邮件系统一样，是不能保证可靠的寄到的，而面向链接的TCP就好比电话，双方能肯定对方接受到了信息。
TCP，可靠，传输大小无限制，但是需要连接建立时间，差错控制开销大。
UDP，不可靠，差错控制开销较小，传输大小限制在64K以下，不需要建立连接。

2，Datagram使用
包java.net中提供了两个类DatagramSocket和DatagramPacket用来支持数据报通信，DatagramSocket用于在程序之间建立传送数据报的通信连接， DatagramPacket则用来表示一个数据报。
DatagramSocket的构造方法：

   DatagramSocket（）；
　　　DatagramSocket（int prot）;
　　　DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)

其中，port指明socket所使用的端口号，如果未指明端口号，则把socket连接到本地主机上一个可用的端口。laddr指明一个可用的本地地址。给出端口号时要保证不发生端口冲突，否则会生成SocketException类例外。注意：上述的两个构造方法都声明抛弃非运行时例外SocketException，程序中必须进行处理，或者捕获、或者声明抛弃。
用数据报方式编写client/server程序时，无论在客户方还是服务方，首先都要建立一个DatagramSocket对象，用来接收或发送数据报，然后使用DatagramPacket类对象作为传输数据的载体。
DatagramPacket的构造方法 ：
　

　　DatagramPacket（byte buf[],int length）；
　　　DatagramPacket(byte buf[], int length, InetAddress addr, int port);
　　　DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length)；
　　　DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port)；

其中，buf中存放数据报数据，length为数据报中数据的长度，addr和port旨明目的地址，offset指明了数据报的位移量。
在接收数据前，应该采用上面的第一种方法生成一个DatagramPacket对象，给出接收数据的缓冲区及其长度。然后调用DatagramSocket 的方法receive()等待数据报的到来，receive()将一直等待，直到收到一个数据报为止。
　　

DatagramPacket packet=new DatagramPacket(buf, 256);
　　Socket.receive (packet);

发送数据前，也要先生成一个新的DatagramPacket对象，这时要使用上面的第二种构造方法，在给出存放发送数据的缓冲区的同时，还要给出完整的目的地址，包括IP地址和端口号。发送数据是通过DatagramSocket的方法 send()实现的，send()根据数据报的目的地址来寻径，以传递数据报。

　　DatagramPacket packet=new DatagramPacket(buf, length, address, port);
　　Socket.send(packet)；

在构造数据报时，要给出InetAddress类参数。类InetAddress在包java.net中定义，用来表示一个Internet地址，我们可以通过它提供的类方法getByName（）从一个表示主机名的字符串获取该主机的IP地址，然后再获取相应的地址信息。

3，用Datagram进行广播通讯（MulticastSocket）
DatagramSocket只允许数据报发送一个目的地址，java.net包中提供了一个类MulticastSocket，允许数据报以广播方式发送到该端口的所有客户。MulticastSocket用在客户端，监听服务器广播来的数据。
1. 客户方程序:MulticastClient.java
　　

import java.io.*;
　　import java.net.*;
　　import java.util.*;
　　public class MulticastClient {
　　　　public static void main(String args[]) throws IOException
　　　　{
　　　　　MulticastSocket socket=new MulticastSocket(4446);
　　　　　//创建4446端口的广播套接字
　　　　　InetAddress address=InetAddress.getByName("230.0.0.1");
　　　　　//得到230.0.0.1的地址信息
　　　　　socket.joinGroup(address);
　　　　　//使用joinGroup()将广播套接字绑定到地址上
　　　　　DatagramPacket packet;
　　　　　for(int i=0;i<5;i++) {
　　　　　　　byte[] buf=new byte[256];
　　　　　　　//创建缓冲区
　　　　　　　packet=new DatagramPacket(buf,buf.length);
　　　　　　　//创建接收数据报
　　　　　　　socket.receive(packet); //接收
　　　　　　　String received=new String(packet.getData());
　　　　　　　//由接收到的数据报得到字节数组，
　　　　　　　//并由此构造一个String对象
　　　　　　　System.out.println("Quote of theMoment:"+received);
　　　　　　　//打印得到的字符串
　　　　　} //循环5次
　　　　　socket.leaveGroup(address);
　　　　　//把广播套接字从地址上解除绑定
　　　　　socket.close(); //关闭广播套接字
　　　}
　}

　2. 服务器方程序:MulticastServer.java
　

　public class MulticastServer{
　　　　public static void main(String args[]) throws java.io.IOException
　　　　{
　　　　　　new MulticastServerThread().start();
　　　　　　//启动一个服务器线程
　　　　}
　　}

　3. 程序MulticastServerThread.java
　　

import java.io.*;
　　import java.net.*;
　　import java.util.*;
　　public class MulticastServerThread extends QuoteServerThread
　　//从QuoteServerThread继承得到新的服务器线程类MulticastServerThread
　　{
　　　　Private long FIVE_SECOND=5000; //定义常量，5秒钟
　　　　public MulticastServerThread(String name) throws IOException
　　　　{
　　　　　　super("MulticastServerThread");
　　　　　　//调用父类，也就是QuoteServerThread的构造函数
　　　　}
　　　　public void run() //重写父类的线程主体
　　　　{
　　　　　while(moreQuotes) {
　　　　　//根据标志变量判断是否继续循环
　　　　　　try{
　　　　　　　　byte[] buf=new byte[256];
　　　　　　　　//创建缓冲区
　　　　　　　　String dString=null;
　　　　　　　　if(in==null) dString=new Date().toString();
　　　　　　　　//如果初始化的时候打开文件失败了，
　　　　　　　　//则使用日期作为要传送的字符串
　　　　　　　　else dString=getNextQuote();
　　　　　　　　//否则调用成员函数从文件中读出字符串
　　　　　　　　buf=dString.getByte();
　　　　　　　　//把String转换成字节数组，以便传送send it
　　　　　　　　InetAddress group=InetAddress.getByName("230.0.0.1");
　　　　　　　　//得到230.0.0.1的地址信息
　　　　　　　　DatagramPacket packet=
                       new DatagramPacket(buf,buf.length,group,4446);
　　　　　　　　//根据缓冲区，广播地址，和端口号创建DatagramPacket对象
　　　　　　　　socket.send(packet); //发送该Packet
　　　　　　　　try{
　　　　　　　　　　sleep((long)(Math.random()*FIVE_SECONDS));
　　　　　　　　　　//随机等待一段时间，0～5秒之间
　　　　　　　　}catch(InterruptedException e) { } //异常处理
　　　　　　}catch(IOException e){ //异常处理
　　　　　　　　e.printStackTrace( ); //打印错误栈
　　　　　　　　moreQuotes=false; //置结束循环标志
　　　　　　}
　　　　}
　　　　socket.close( ); //关闭广播套接口
　　　}
　}

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