Java TCP/IP Socket 编程 笔记

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Java TCP/IP Socket 编程 笔记（一）—基本概念

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编程 Socket Java 网络协议 网络应用

一些概念：
通信信道（communication channel）：将字节序列从一个主机传输到另一个主机的一种手段，可能是有线电缆，如以太网（Ethernet），也可能是无线的，如WiFi，或是其他方式的连接。

信息（information）是指由程序创建和解释的字节序列。在计算机网络环境中，这些字节序列称为分组报文（packet）。

协议（protocol）相当于相互通信的程序达成的一种约定，它规定了分组报文的交换方式和它们包含的意义。一组协议规定了分组报文的结构（例如报文中的哪一部分表明了目的地址）以及怎样对报文中所包含的信息进行解析。

TCP和UDP属于传输层，IP属于网络层，TCP，UDP和IP的具体实现通常驻留在主机的操作系统中。应用程序通过套接字API对UDP协议和TCP协议所提供的服务进行访问。

IP协议提供了一种数据报服务：每组分组报文都由网络独立处理和分发，就像信件或包裹通过邮政系统发送一样。IP报文必须包含一个保存其目的地址的字段，就像你所投递的每份包裹都写明了收件人地址一样。

TCP协议和UDP协议使用的地址叫做端口号，都是用来区分同一主机中的不同应用程序的。

客户端（client）是通信的发起者，而服务器（server）程序则被动等待客户端发起通信，并对其作出响应。

一个程序是作为客户端还是服务器，决定了它在与其对等端（peer）建立通信时使用的套接字API（客户端的对等端是服务器，反之亦然）。客服端必须首先知道服务器端的地址和端口号，反之则不需要。这个打电话类似。只要通信连接建立成功，服务器和客户端之间就没有区别了。


Socket(套接字）是一种抽象层，应用程序通过它来发送和接受数据，就像应用程序打开一个文件句柄，将数据读写到稳定的存储器上一样。一个TCP/IP套接字由一个互联网地址，一个端对端协议（TCP或UDP协议）以及一个端口号唯一确定。

 

Java TCP/IP Socket 编程 笔记（二）—TCP的例子

博客分类：
• J2SE

编程 Socket Java 网络协议

1.InetAddress类和SocketAddress用于识别网络主机
TCP协议客户端和服务器端的套接字为Socket和ServerSocket
UDP协议的客户端和服务器端的套接字为DatagramSocket

2.
类 NetworkInterface表示一个由名称和分配给此接口的 IP 地址列表组成的网络接口，其getNetworkInterfaces()返回此机器上的所有接口。getInetAddresses()是返回一个 Enumeration 并将所有 InetAddress 或 InetAddress 的子集绑定到此网络接口的便捷方法。（注意：一个网络接口可能包含IPv4或IPv6地址）

3.类 InetAddress的getHostAddress()返回 IP 地址字符串（以文本表现形式）。 getAllByName(String host)在给定主机名的情况下，根据系统上配置的名称服务返回其 IP 地址所组成的数组。getHostName()获取此 IP 地址的主机名。getHostAddress() 返回 IP 地址字符串（以文本表现形式）。

4.TCP套接字
服务器端ServerSocket实例监听TCP链接请求，并为每个请求创建新的Socket实例。也就是说，服务器端要同时处理ServerSocket实例和Sockete实例，而客户端只需要使用Socket实例。

TCP客户端：

public class TCPEchoClient {
    public static void main(String [] args) throws UnknownHostException, IOException, InterruptedException {
        if(args.length<2||args.length>3){
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Server> <Word> [<Port>]");
        }

        String server=args[0];

        byte [] data=args[1].getBytes();

        int servPort=(args.length==3)?Integer.parseInt(args[2]):7;

        //1.创建一个Socket实例：构造函数向指定的远程主机和端口建立一个TCP连接
        Socket socket=new Socket(server,servPort);
        System.out.println("Connected to server... sending echo string");

        /**
         *2. 通过套接字的输入输出流进行通信：一个Socket连接实例包括一个InputStream和一个OutputStream，它们的用法同于其他Java输入输出流。
         */
        InputStream in=socket.getInputStream();
        OutputStream out=socket.getOutputStream();

        out.write(data);

        int totalBytesRcvd=0;
        int bytesRcvd;

        while(totalBytesRcvd<data.length){
            if((bytesRcvd=in.read(data, totalBytesRcvd, data.length-totalBytesRcvd))==-1){
                throw new SocketException("Connection closed prematurely");
            }
            totalBytesRcvd+=bytesRcvd;
        }
        System.out.println("Receved: "+new String(data));

        //3.使用Socet类的close（）方法关闭连接
        socket.close();
    }
}

public class TCPEchoClient {
	public static void main(String [] args) throws UnknownHostException, IOException, InterruptedException {
		if(args.length<2||args.length>3){
			throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Server> <Word> [<Port>]");
		}
		
		String server=args[0];
		
		byte [] data=args[1].getBytes();
		
		int servPort=(args.length==3)?Integer.parseInt(args[2]):7;
		
		//1.创建一个Socket实例：构造函数向指定的远程主机和端口建立一个TCP连接
		Socket socket=new Socket(server,servPort);
		System.out.println("Connected to server... sending echo string");
		
		/**
		 *2. 通过套接字的输入输出流进行通信：一个Socket连接实例包括一个InputStream和一个OutputStream，它们的用法同于其他Java输入输出流。
		 */
		InputStream in=socket.getInputStream();
		OutputStream out=socket.getOutputStream();
		
		out.write(data);
		
		int totalBytesRcvd=0;
		int bytesRcvd;
		
		while(totalBytesRcvd<data.length){
			if((bytesRcvd=in.read(data, totalBytesRcvd, data.length-totalBytesRcvd))==-1){
				throw new SocketException("Connection closed prematurely");
			}
			totalBytesRcvd+=bytesRcvd;
		}
		System.out.println("Receved: "+new String(data));
		
		//3.使用Socet类的close（）方法关闭连接
		socket.close();
	}
}

TCP服务器端代码：

public class TCPEchoServer {
    private static final int BUFSIZE=32;

    public static void main(String [] args) throws IOException, InterruptedException{
        if(args.length!=1){
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Port>");
        }

        int servPort=Integer.parseInt(args[0]);

        //1.创建一个ServerSocket实例并制定本地端口。此套接字的功能是侦听该制定端口收到的连接。
        ServerSocket servSock=new ServerSocket(servPort);

        int recvMsgSize;

        byte [] receiveBuf=new byte[BUFSIZE];

        //2.重复执行
        while(true){
            //a.调用ServerSocket的accept()方法以获取下一个客户端连接。
            //基于新建立的客户端连接，创建一个Socket实例，并由accept()方法返回
            Socket clntSock=servSock.accept();
            SocketAddress clientAddress=clntSock.getRemoteSocketAddress();
            System.out.println("Handling client at "+clientAddress);

            //b,使用所返回的Socket实例的InputStream和OutputStream与客户端进行通信
            InputStream in=clntSock.getInputStream();
            OutputStream out=clntSock.getOutputStream();

            while((recvMsgSize=in.read(receiveBuf))!=-1){
                out.write(receiveBuf, 0, recvMsgSize);
            }

            //c，通信完成后，使用Socket的close()方法关闭该客户端套接字链接
            clntSock.close();
        }
    }
}

Java TCP/IP Socket 编程 笔记（三）—UDP的例子

 

1.UDP套接字与TCP套接字不同。UDP套接字在使用前不需要进行连接。TCP协议与电话通信相似，而UDP协议则与邮件通信相似：你寄包裹或信件时不要进行“连接”，但是你的为每个包裹和信件制定目的地址。类似地，每条信息（datagram，即数据报文）负载了自己的地址信息，并与其他信息相互独立。在接收信息时，UDP套接字扮演的角色就像是一个信箱，从不同地址发送来的信件和包裹都可以放到里面。一旦被创建，UDP套接字就可以用来连续地向不同的地址发送消息，或从任何地址接收信息。
UDP套接字将保留边界信息。UDP不像TCP一样，它是尽可能地传送消息，但并不保证信息一定能成功到达目的地址，而且信息到达的顺序与其发送顺序不一定一致（就像通过邮政部分寄信一样）。因此，UDP套接字的程序必须准备好处理信息的丢失和重排。
UDP的优点之一是效率较高，其次是灵活性。

Java通过DatagramPacket类和DatagramSocket类来使用UDP套接字。客户端和服务端都使用DatagramSocket来发送数据，使用DatagramPacket来接收数据。

发送信息时，Java程序创建一个包含了待发送信息的DatagramPacket实例，并将其作为参数传递给DatagramSocket类的send()方法。接收信息时，Java程序首先创建一个DatagramPacket类的实例，该实例中预先分配了一些空间（一个字节数组byte[]），并将接收到的信息存放在该空间中。然后把该实例作为参数传递给DatagramSocket类的receive()方法。

DatagramPacket的内部有length和offset字段，如果指定了offset，数据报文的数据部分将从字节数组的指定位置发送或接收数据。length参数指定了字节数组中在发送时要传输的字节数，活在接收数据时所能接收的最多字节数。length要比data.length小，但不能比它大。

UDP客户端：

import java.io.IOException;
import java.io.InterruptedIOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

public class UDPEchoClientTimeout {
    private static final int TIMEOUT=3000;
    private static final int MAXTRIES=5;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        if(args.length<2||args.length>3){
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Server> <Word> [<Port>]");
        }

        InetAddress serverAddress=InetAddress.getByName(args[0]);//server address;
        byte [] bytesToSend=args[1].getBytes();
        int servPort=(args.length==3)?Integer.parseInt(args[2]):7;

        //1.创建一个DatagramSocket实例，可以选择对本地地址和端口进行设置。
        DatagramSocket socket=new DatagramSocket();
        //设置receive()方法的最长阻塞时间
        socket.setSoTimeout(TIMEOUT);

        DatagramPacket sendPacket=new DatagramPacket(bytesToSend,bytesToSend.length,serverAddress,servPort);
        DatagramPacket receivePacket=new DatagramPacket(new byte[bytesToSend.length],bytesToSend.length);

        int tries=0;
        boolean receivedResponse=false;

        do{
            //2.使用DatagramSocket类的send()和receive()方法来发送和接收DatagramPacket实例，进行通信
            socket.send(sendPacket);
            try{
                socket.receive(receivePacket);
                if(!receivePacket.getAddress().equals(serverAddress)){
                    throw new IOException("Received packet from an unknown source");
                }
                receivedResponse=true;
            }catch(InterruptedIOException e){
                tries+=1;
                System.out.println("Timed out,"+(MAXTRIES-tries)+" more tries ...");
            }

        }while(!receivedResponse&&(tries<MAXTRIES));


        if(receivedResponse){
            System.out.println("Received: "+new String(receivePacket.getData()));
        }else{
            System.out.println("No response -- giving up.");
        }

        //3.通信完成后，使用DatagramSocket类的close方法来销毁该套接字
        socket.close();
    }
}

import java.io.IOException;
import java.io.InterruptedIOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

public class UDPEchoClientTimeout {
	private static final int TIMEOUT=3000;
	private static final int MAXTRIES=5;
	
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		if(args.length<2||args.length>3){
			throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Server> <Word> [<Port>]");
		}
		
		InetAddress serverAddress=InetAddress.getByName(args[0]);//server address;
		byte [] bytesToSend=args[1].getBytes();
		int servPort=(args.length==3)?Integer.parseInt(args[2]):7;
		
		//1.创建一个DatagramSocket实例，可以选择对本地地址和端口进行设置。 
		DatagramSocket socket=new DatagramSocket();
		//设置receive()方法的最长阻塞时间
		socket.setSoTimeout(TIMEOUT);
		
		DatagramPacket sendPacket=new DatagramPacket(bytesToSend,bytesToSend.length,serverAddress,servPort);
		DatagramPacket receivePacket=new DatagramPacket(new byte[bytesToSend.length],bytesToSend.length);
		
		int tries=0;
		boolean receivedResponse=false;
		
		do{
			//2.使用DatagramSocket类的send()和receive()方法来发送和接收DatagramPacket实例，进行通信
			socket.send(sendPacket);
			try{
				socket.receive(receivePacket);
				if(!receivePacket.getAddress().equals(serverAddress)){
					throw new IOException("Received packet from an unknown source");
				}
				receivedResponse=true;
			}catch(InterruptedIOException e){
				tries+=1;
				System.out.println("Timed out,"+(MAXTRIES-tries)+" more tries ...");
			}
			
		}while(!receivedResponse&&(tries<MAXTRIES));
		
		
		if(receivedResponse){
			System.out.println("Received: "+new String(receivePacket.getData()));
		}else{
			System.out.println("No response -- giving up.");
		}
		
		//3.通信完成后，使用DatagramSocket类的close方法来销毁该套接字
		socket.close();
	}
}

UDP的服务器端：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;

public class UDPEchoServer {
    private static final int ECHOMAX=255;//max size of echo datagram

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        if(args.length!=1){
            throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Port>");
        }

        int servPort=Integer.parseInt(args[0]);

        //1.创建一个DatagramSocket实例，指定本地端口号，可以选择指定本地地址
        DatagramSocket socket=new DatagramSocket(servPort);
        DatagramPacket packet=new DatagramPacket(new byte[ECHOMAX],ECHOMAX);

        while(true){
            //2.使用DatagramSocket的receive方法来接收一个DatagramPacket实例。
            socket.receive(packet);
            System.out.println("Handling client at "+packet.getAddress().getHostAddress()+" on port "+packet.getPort());

            socket.send(packet);
            packet.setLength(ECHOMAX);
        }
    }
}

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;

public class UDPEchoServer {
	private static final int ECHOMAX=255;//max size of echo datagram
	
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		if(args.length!=1){
			throw new IllegalArgumentException("Parameter(s):<Port>");
		}
		
		int servPort=Integer.parseInt(args[0]);
		
		//1.创建一个DatagramSocket实例，指定本地端口号，可以选择指定本地地址
		DatagramSocket socket=new DatagramSocket(servPort);
		DatagramPacket packet=new DatagramPacket(new byte[ECHOMAX],ECHOMAX);
		
		while(true){
			//2.使用DatagramSocket的receive方法来接收一个DatagramPacket实例。
			socket.receive(packet);
			System.out.println("Handling client at "+packet.getAddress().getHostAddress()+" on port "+packet.getPort());
			
			socket.send(packet);
			packet.setLength(ECHOMAX);
		}
	}
}

注意：DatagramPacket的getData()方法的使用，它返回数据缓冲区，是一个字节数组，需要注意。
  packet.setData(buf, offset,length);设置了接收数据时放到缓存去buf中的位置
，因此接收的数据new String(packet.getData(),packet.getOffset(),packet.getLength())的方式构造的。

 

Java TCP/IP Socket 编程 笔记（四）—发送和接收数据

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编程 Java Socket

1.TCP/IP协议要求信息必须在块（chunk）中发送和接收，而块的长度必须是8位的倍数，因此，我们可以认为TCP/IP协议中传输的信息是字节序列。如何发送和解析信息需要一定的应用程序协议。
2.信息编码：
    首先是Java里对基本整型的处理，发送时，要注意：1）每种数据类型的字节个数；2）这些字节的发送顺序是怎样的？（little-endian还是big-endian）；3）所传输的数值是有符号的（signed）还是无符号的（unsigned）。具体编码时采用位操作（移位和屏蔽）就可以了。具体在Java里，可以采用DataOutputStream类和ByteArrayOutputStream来实现。恢复时可以采用DataInputStream类和ByteArrayInputStream类。
    其次，字符串和文本，在一组符号与一组整数之间的映射称为编码字符集（coded character set）。发送者与接收者必须在符号与整数的映射方式上达成共识，才能使用文本信息进行通信，最简单的方法就是定义一个标准字符集。具体编码时采用String的getBytes()方法。
    最后，位操作。如果设置一个特定的设为1，先设置好掩码(mask)，之后用或操作；要清空特定一位，用与操作。
3.成帧与解析
成帧（framing）技术解决了接收端如何定位消息的首位位置的问题。
如果接收者试图从套接字中读取比消息本身更多的字节，将可能发生以下两种情况之一：如果信道中没有其他消息，接收者将阻塞等待，同时无法处理接收到的消息；如果发送者也在等待接收端的响应消息，则会形成死锁（dealock）；另一方面，如果信道中还有其他消息，则接收者会将后面消息的一部分甚至全部读到第一条消息中去，这将产生一些协议错误。因此，在使用TCP套接字时，成帧就是一个非常重要的考虑因素。
有两个技术：
1. 基于定界符（Delimiter-based）：消息的结束由一个唯一的标记（unique marker）指出，即发送者在传输完数据后显式添加的一个特殊字节序列。这个特殊标记不能在传输的数据中出现。幸运的是，填充（stuffing）技术能够对消息中出现的定界符进行修改，从而使接收者不将其识别为定界符。在接收者扫描定界符时，还能识别出修改过的数据，并在输出消息中对其进行还原，从而使其与原始消息一致。
2. 显式长度（Explicit length）：在变长字段或消息前附加一个固定大小的字段，用来指示该字段或消息中包含了多少字节。这种方法要确定消息长度的上限，以确定保存这个长度需要的字节数。
接口：

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;

public interface Framer {
    void frameMsg(byte [] message,OutputStream out) throws IOException;
    byte [] nextMsg() throws IOException;
}

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;

public interface Framer {
	void frameMsg(byte [] message,OutputStream out) throws IOException;
	byte [] nextMsg() throws IOException;
}

定界符的方式：

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.EOFException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

public class DelimFramer implements Framer {
    private InputStream in;//data source;
    private static final byte DELIMTER=(byte)'\n';//message delimiter

    public DelimFramer(InputStream in){
        this.in=in;
    }

    @Override
    public void frameMsg(byte[] message, OutputStream out) throws IOException {
        //ensure that the message dose not contain the delimiter
        for(byte b:message){
            if(b==DELIMTER)
                throw new IOException("Message contains delimiter");
        }
        out.write(message);
        out.write(DELIMTER);
        out.flush();


    }

    @Override
    public byte[] nextMsg() throws IOException {
        ByteArrayOutputStream messageBuffer=new ByteArrayOutputStream();
        int nextByte;

        while((nextByte=in.read())!=DELIMTER){
            if(nextByte==-1){//end of stream?
                if(messageBuffer.size()==0){
                    return null;
                }else{
                    throw new EOFException("Non-empty message without delimiter");
                }
            }
            messageBuffer.write(nextByte);
        }
        return messageBuffer.toByteArray();
    }
}

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.EOFException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

public class DelimFramer implements Framer {
	private InputStream in;//data source;
	private static final byte DELIMTER=(byte)'\n';//message delimiter
	
	public DelimFramer(InputStream in){
		this.in=in;
	}

	@Override
	public void frameMsg(byte[] message, OutputStream out) throws IOException {
		//ensure that the message dose not contain the delimiter
		for(byte b:message){
			if(b==DELIMTER)
				throw new IOException("Message contains delimiter");
		}
		out.write(message);
		out.write(DELIMTER);
		out.flush();
		
		
	}

	@Override
	public byte[] nextMsg() throws IOException {
		ByteArrayOutputStream messageBuffer=new ByteArrayOutputStream();
		int nextByte;
		
		while((nextByte=in.read())!=DELIMTER){
			if(nextByte==-1){//end of stream?
				if(messageBuffer.size()==0){
					return null;
				}else{
					throw new EOFException("Non-empty message without delimiter");
				}
			}
			messageBuffer.write(nextByte);
		}
		return messageBuffer.toByteArray();
	}
}

显式长度方法：

import java.io.DataInputStream;
import java.io.EOFException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

public class LengthFramer implements Framer {
    public static final int MAXMESSAGELENGTH=65535;
    public static final int BYTEMASK=0xff;
    public static final int SHOTMASK=0xffff;
    public static final int BYTESHIFT=8;

    private DataInputStream in;// wrapper for data I/O

    public LengthFramer(InputStream in) throws IOException{
        this.in=new DataInputStream(in);
    }

    @Override
    public void frameMsg(byte[] message, OutputStream out) throws IOException {
        if(message.length>MAXMESSAGELENGTH){
            throw new IOException("message too long");
        }

        //write length prefix
        out.write((message.length>>BYTEMASK)&BYTEMASK);
        out.write(message.length&BYTEMASK);
        //write message
        out.write(message);
        out.flush();
    }

    @Override
    public byte[] nextMsg() throws IOException {
        int length;

        try{
            length=in.readUnsignedShort();
        }catch(EOFException e){
            //no (or 1 byte) message;
            return null;
        }
        //0<=length<=65535;
        byte [] msg=new byte[length];
        in.readFully(msg);//if exception,it's a framing error;
        return msg;
    }
}