Java Socket编程(一) Socket编程原理及基本概念

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          本篇文章完全是一个铺垫，是为了后面文章提供理论基础，没有这些基础，谈论Socket编程和后续的具体功能实现，都是纸上谈兵，所以还请很少接触Socket编程的看官耐心看完这篇文章，相信对各位有好处。

      看一下网络的分层结构，如下图：

基于TCP/IP协议族的网络，被分为四层，分别为应用层，传输层，网际层以及网络接口层，每一层都设计了相应的协议，我们常用的一些协议(如HTTP，FTP等)，都是属于应用层协议，他们大多是基于传输层的TCP，UDP设计出来的。

        我们的主角Socket，它是应用层之下，传输层之上的一个接口层，也就是操作系统提供给用户访问网络的系统接口，我们可以借助于Socket接口层，对传输层，网际层以及网络接口层进行操作，来实现我们不同的应用层协议，举几个例子，如HTTP是基于TCP实现的，ping和tracerouter是基于ICMP实现的，libpcap(用wireshare做过网络抓包的可能更熟悉)则是直接读取了网络接口层的数据，但是他们的实现，都是借助于Socket完成的。可见，对于应用层，我们想实现网络功能，归根究底都是要通过Socket来实现的，否则，我们无法访问处于操作系统的传输层，网际层以及网络接口层。考虑的本文以及本文之后的其他文章，我们暂时只关注Socket访问传输层的流程，其他的方面可以参看相关书籍，这里推荐《TCP/IP详解 卷一》以及《UNIX网络编程》(UNP)，虽然是Linux C语言开发的书，但是对网络编程讲解的很透彻。这里也向这位大家致敬，虽英年早逝，留给大家的财富不可估量。

        再来了解一下TCP和UDP，两者最大的区别在于，TCP是可靠的，也就是说，我们通过TCP发送的数据，网络协议栈会保证数据可靠的传输到对端，而UDP是不可靠的，如果出现丢包，协议栈不会做任何处理，可靠性的保证交由应用层处理。因此，TCP的性能会比UDP低，但是可靠性会比UDP好很多。除此之外，两者在传输数据时，也有形式上的不同，TCP的数据是流，大家可以类比文件流，而UDP则是基于数据包，也就是说数据会被打成包发送，可能大家会有疑问，这个有什么差别吗？当然有，一个最大的问题就是，TCP没有数据边界，每次接收数据以字节为单位，如果想区分两次发送的数据，除非在数据中加入分割字符(如http的\r\n\r\n)，否则，TCP无法区分数据边界，而UDP每次发送的数据都被打为一个独立的数据包，因此几次发送的数据边界很清晰，我们每次接收也是按照数据包为单位进行接收。对于不同的编程语言或平台，虽然Socket的接口可能不同，但是都提供了基于TCP发送数据的接口以及基于UDP发送数据的接口。

         另外，还有一个概念，对于一个Socket以 客户端的IP及端口号<=>服务器端的IP以及端口号 唯一标识。

        由于后面几篇文章基本上都是基于TCP的，所以这里为了让大家知道Socket是个什么东西，先以UDP为例，后面再详细了解基于TCP的Socket编程。我们使用Java Socket，基于UDP协议，实现字母的大写转换，整个流程是客户端发送字符串给服务器，服务器将字符串转换为全部大写后，发送回客户端，客户端进行显示。

        首先看一下服务器端的代码：

package com.yjp.server;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;
import java.net.UnknownHostException;

public class ToUpperUDPServer {
	
	//服务器IP
	public static final String SERVER_IP = "127.0.0.1";
	
	//服务器端口号
	public static final int SERVER_PORT = 10005;
	
	//最多处理1024个字符
	public static final int MAX_BYTES = 1024;
	
	//UDP使用DatagramSocket发送数据包
	private DatagramSocket serverSocket;
	
	/***
	 * 启动服务器
	 * @param 服务器监听的端口号，服务器ip无需指定，系统自动分配
	 */
	public void startServer(String serverIp, int serverPort) {
		try {
			//创建DatagramSocket
			InetAddress serverAddr = InetAddress.getByName(serverIp);
			serverSocket = new DatagramSocket(serverPort, serverAddr);
			
			//创建接收数据的对象
			byte[] recvBuf = new byte[MAX_BYTES];
			DatagramPacket recvPacket = new DatagramPacket(recvBuf , recvBuf.length);
			
			//死循环，一直运行服务器
			while (true) {
				//接收数据，会在这里阻塞，直到有数据到来
				try {
					serverSocket.receive(recvPacket);
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				
				
				String recvStr = new String(recvPacket.getData(), 0, recvPacket.getLength());
				
				//拿到対端的ip和端口
				InetAddress clientAddr = recvPacket.getAddress();
				int clientPort = recvPacket.getPort();
				
				//回传数据
				String upperString = recvStr.toUpperCase();
				byte[] sendBuf = upperString.getBytes();
				DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendBuf, sendBuf.length, clientAddr, clientPort);
				try {
					serverSocket.send(sendPacket);
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
			
		} catch (SocketException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (UnknownHostException e2) {
			e2.printStackTrace();
		} finally {
			//记得关闭Socket
			if (null != serverSocket) {
				serverSocket.close();
				serverSocket = null;
			}
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		ToUpperUDPServer server = new ToUpperUDPServer();
		server.startServer(SERVER_IP, SERVER_PORT);
	}
}

服务器通过static final常量公开了自己的ip地址以及端口号，还有可以处理的最大字符数，之后，基于给定的ip和port，创建Socket，开始接收数据，收到数据后，转化为大写，返回给客户端。

再来看看客户端：

package com.yjp.client;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;
import java.net.UnknownHostException;

import com.yjp.server.ToUpperUDPServer;

public class ToUpperUDPClient {
	
	private DatagramSocket clientSocket;
	
	public String toUpperRemote(String serverIp, int serverPort, String str) {
		String recvStr = "";
		
		try {
			//创建UDP Socket
			clientSocket = new DatagramSocket();
			
			//向服务器发送数据
			byte[] sendBuf;
	        sendBuf = str.getBytes();
	        InetAddress serverAddr = InetAddress.getByName(serverIp);
	        DatagramPacket sendPacket 
	            = new DatagramPacket(sendBuf ,sendBuf.length , serverAddr , serverPort);
	        try {
				clientSocket.send(sendPacket);
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
	        
	        //接收服务器的响应
	        byte[] recvBuf = new byte[ToUpperUDPServer.MAX_BYTES];
	        DatagramPacket recvPacket
	            = new DatagramPacket(recvBuf , recvBuf.length);
	        try {
				clientSocket.receive(recvPacket);
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
	        
	        //显示响应
	        recvStr = new String(recvPacket.getData() , 0 ,recvPacket.getLength());
		} catch (SocketException e1) {
			e1.printStackTrace();
		} catch (UnknownHostException e2) {
			e2.printStackTrace();
		} finally {
			if (null != clientSocket) {
				clientSocket.close();
				clientSocket = null;
			}
		}
		
		return recvStr;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		ToUpperUDPClient client = new ToUpperUDPClient();
		String recvStr = client.toUpperRemote(ToUpperUDPServer.SERVER_IP, ToUpperUDPServer.SERVER_PORT, "aaaAAAbbbBBBcccCCC");
		System.out.println("收到:" + recvStr);
	}
}

客户端通过借助于服务器端的常量，获知服务器的IP以及端口号，然后向该服务器发送字符串，然后接收服务器的响应，输出响应，响应结果如下所示：

收到:AAAAAABBBBBBCCCCCC