Java中Socket用法详解

1 问题引入

1.1 网络架构模型

网络架构模型主要有OSI参考模型和TCP/IP五层模型

1.1.1 OSI参考模型

OSI(Open System Interconnect),即开放式系统互联。一般都叫OSI参考模型,是ISO(国际标准化组织)组织在1985年研究的网络互连模型。ISO为了更好的使网络应用更为普及,推出了OSI参考模型,这样所有的公司都按照统一的标准来指定自己的网络,就可以互通互联了。

OSI定义了网络互连的七层框架(物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层)。

1.1.2 TCP/IP五层模型

TCP/IP五层协议(物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层)

1.1.3 各协议层的说明

应用层

应用层最靠近用户的一层,是为计算机用户提供应用接口,也为用户直接提供各种网络服务。我们常见应用层的网络服务协议有:HTTP,HTTPS,FTP,TELNET等。

传输层

建立了主机端到端的链接,传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务,包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节,使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。我们通常说的,TCP UDP就是在这一层。端口号既是这里的“端”。

网络层

本层通过IP寻址来建立两个节点之间的连接,为源端的运输层送来的分组,选择合适的路由和交换节点,正确无误地按照地址传送给目的端的运输层。就是通常说的IP层。这一层就是我们经常说的IP协议层。IP协议是Internet的基础。

1.2 网络编程中的问题

常见的网络编程中的问题主要是怎么定位网络上的一台主机或多台主机,另一个是定位后如何进行数据的传输。对于前者,在网络层中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。对于后者,在传输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。

对于客户端/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。

对于浏览器/服务器(B/S)结构。 客户则在需要服务时向服务器进行请求。服务器响应后及时返回,不需要实时监听端口。

1.3 TCP协议与UDP协议

1.3.1 TCP

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,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。

TCP的三次握手

建立起一个TCP连接需要经过“三次握手”:第一次握手:客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。

握手过程中传送的包里不包含数据,三次握手完毕后,客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下,TCP连接一旦建立,在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前,TCP 连接都将被一直保持下去。断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求。

1.3.2 UDP

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。

1.3.3 TCP和UDP的区别

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传输数据没有大小限制,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,因此TCP传输的效率不如UDP高。
  • 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。

2 socket网络编程

2.1什么是socket?

Socket的英文原义是“孔”或“插座”。在网络编程中,网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换,这个连接的一端称为一个socket。

Socket套接字是通信的基石,是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示,包含进行网络通信必须的五种信息:连接使用的协议,本地主机的IP地址,本地进程的协议端口,远地主机的IP地址,远地进程的协议端口。

Socket本质是编程接口(API),对TCP/IP的封装,TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口,这就是Socket编程接口;HTTP是轿车,提供了封装或者显示数据的具体形式;Socket是发动机,提供了网络通信的能力。

2.2 Socket的原理

Socket实质上提供了进程通信的端点。进程通信之前,双方首先必须各自创建一个端点,否则是没有办法建立联系并相互通信的。正如打电话之前,双方必须各自拥有一台电话机一样。

套接字之间的连接过程可以分为三个步骤:服务器监听,客户端请求,连接确认。

  • 1、服务器监听:是服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字,而是处于等待连接的状态,实时监控网络状态。
  • 2、客户端请求:是指由客户端的套接字提出连接请求,要连接的目标是服务器端的套接字。为此,客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字,指出服务器端套接字的地址和端口号,然后就向服务器端套接字提出连接请求。
  • 3、连接确认:是指当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求,它就响应客户端套接字的请求,建立一个新的线程,把服务器端套接字的描述发给客户端,一旦客户端确认了此描述,连接就建立好了。而服务器端套接字继续处于监听状态,继续接收其他客户端套接字的连接请求。

3 基于java的socket网络编程实现

Server端Listen监听某个端口是否有连接请求,Client端向Server 端发出连接请求,Server端向Client端发回Accept接受消息。这样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。

3.1 基于TCP的socket实现

SocketClient.java

public class SocketClient {
	
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		try {
			// 和服务器创建连接
			Socket socket = new Socket("localhost",8088);
			
			// 要发送给服务器的信息
			OutputStream os = socket.getOutputStream();
			PrintWriter pw = new PrintWriter(os);
			pw.write("客户端发送信息");
			pw.flush();
			
			socket.shutdownOutput();
			
			// 从服务器接收的信息
			InputStream is = socket.getInputStream();
			BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
			String info = null;
			while((info = br.readLine())!=null){
				System.out.println("我是客户端,服务器返回信息:"+info);
			}
			
			br.close();
			is.close();
			os.close();
			pw.close();
			socket.close();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
 
}

SocketServer.java

public class SocketServer {
	
	public static void main(String[] args) {
		try {
			// 创建服务端socket
			ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8088);
			
			// 创建客户端socket
			Socket socket = new Socket();	
			
			//循环监听等待客户端的连接
            while(true){
            	// 监听客户端
            	socket = serverSocket.accept();
            	
            	ServerThread thread = new ServerThread(socket);
            	thread.start();
            	
            	InetAddress address=socket.getInetAddress();
                System.out.println("当前客户端的IP:"+address.getHostAddress());
            }
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
			e.printStackTrace();
		}
	}
 
}

ServerThread.java

public class ServerThread extends Thread{
	
	private Socket socket = null;
	
	public ServerThread(Socket socket) {
		this.socket = socket;
	}
 
	@Override
	public void run() {
		InputStream is=null;
        InputStreamReader isr=null;
        BufferedReader br=null;
        OutputStream os=null;
        PrintWriter pw=null;
        try {
			is = socket.getInputStream();
			isr = new InputStreamReader(is);
			br = new BufferedReader(isr);
			
			String info = null;
			
			while((info=br.readLine())!=null){
				System.out.println("我是服务器,客户端说:"+info);
			}
			socket.shutdownInput();
			
			os = socket.getOutputStream();
			pw = new PrintWriter(os);
			pw.write("服务器欢迎你");
			
			pw.flush();
        } catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		} finally{
			//关闭资源
            try {
                if(pw!=null)
                    pw.close();
                if(os!=null)
                    os.close();
                if(br!=null)
                    br.close();
                if(isr!=null)
                    isr.close();
                if(is!=null)
                    is.close();
                if(socket!=null)
                    socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
		}
	}
 
}

在运行时,若先执行SocketClient会提示无法连接到服务器,因为此时没有服务在监听8088端口。此demo是多线程实现,在先启动SocketServer后,服务器会一直监听8088端口,再执行SocketClient就会正常输出结果。

3.2 基于UDP的socket实现

SocketClient.java

public class SocketClient {
	
	public static void main(String[] args) {
		try {
            // 要发送的消息
            String sendMsg = "客户端发送的消息";
            
            // 获取服务器的地址
            InetAddress addr = InetAddress.getByName("localhost");
            
            // 创建packet包对象,封装要发送的包数据和服务器地址和端口号
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(sendMsg.getBytes(),
            		sendMsg.getBytes().length, addr, 8088); 
            
            // 创建Socket对象
            DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
            
            // 发送消息到服务器
            socket.send(packet);
 
            // 关闭socket
            socket.close();
            
        } catch (Exception e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
	}
}

SocketServer.java

public class SocketServer {
	
	public static void main(String[] args) {
		try {
			 // 要接收的报文
			byte[] bytes = new byte[1024];
			DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
			
			// 创建socket并指定端口
			DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8088);
			
			// 接收socket客户端发送的数据。如果未收到会一致阻塞
			socket.receive(packet);
			String receiveMsg = new String(packet.getData(),0,packet.getLength());
			System.out.println(packet.getLength());
			System.out.println(receiveMsg);
			
			// 关闭socket
			socket.close();
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
			e.printStackTrace();
		}
	}
 
}

运行时,先启动SocketServer,再启动SocketClient,会正常打印数据。在先启动SocketServer时,代码执行到socket.receive(packet)时会一致阻塞在这里,直到启动SocketClient后,SocketServer会继续执行,并将收到SocketClient的信息打印出来。如果是先启动SocketClient,会立即执行完毕,再执行SocketServer时,依旧会阻塞在receive方法处,直到下一次SocketClient的执行。

参考

Java Scoket编程

WebSocket与消息推送

JAVA 通过 Socket 实现 TCP 编程

OSI七层模型与TCP/IP五层模型

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持云海天教程。