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TCP/IP協(xié)議分層模型

• TCP/IP分層模型

下層提供接口供上層使用，為上層服務(wù)斋射。

Socket簡述

Socket是運輸層提供給應(yīng)用層的接口育勺，使得應(yīng)用層可以基于socket接口實現(xiàn)基于TCP/UDP協(xié)議的通信但荤。它處于應(yīng)用層和運輸層之間。Socket是面向應(yīng)用程序端點的涧至，封裝了IP地址和端口號纱兑，二者標(biāo)識了網(wǎng)絡(luò)主機(jī)上的某一個應(yīng)用程序，IP地址標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)主機(jī)化借，端口號標(biāo)識主機(jī)上的應(yīng)用程序，這樣唯一指定了通信地址捡多，便可以發(fā)起應(yīng)用程序端之間的網(wǎng)絡(luò)通信蓖康。

在操作系統(tǒng)層面，socket是抽象成文件的垒手，它和文件相似蒜焊，都是數(shù)據(jù)來源，只不過socket底層還有網(wǎng)絡(luò)通信鏈路和各種底層協(xié)議的支持科贬，可以簡單的看成一個遠(yuǎn)端的文件泳梆，使用socket打開文件，對這個特殊的文件進(jìn)行讀寫操作和交互榜掌，從而達(dá)到通信（分享）的目的优妙。

基于BIO的TCP通信

當(dāng)客戶端想要打開一個連接到服務(wù)器的TCP/IP連接時，就要使用到Java Socket類憎账。socket類只需要被告知連接的IP地址和TCP端口套硼，其余的都有Java實現(xiàn)。

假如我們想要打開一個監(jiān)聽服務(wù)胞皱，來監(jiān)聽客戶端連接某些指定TCP端口的連接邪意，那就需要使用Java ServerSocket類。當(dāng)客戶端通過Socket連接服務(wù)器端的ServerSocket監(jiān)聽時反砌，服務(wù)器端會指定這個連接的一個Socket雾鬼，此時客戶端與服務(wù)器端間的通信就變成Socket與Socket之間的通信。

ServerSocket類

ServerSocket宴树，由其名稱即可知策菜，是作為服務(wù)端的socket對象，在網(wǎng)絡(luò)編程中森渐，它又稱為歡迎套接字做入，專門監(jiān)聽主機(jī)上的某個端口，如果有連接到此端口同衣，則產(chǎn)生一個與該連接相連的Socket類對象竟块。

Socket類是對網(wǎng)絡(luò)套接字的封裝，也即為主機(jī)應(yīng)用端通信接口的抽象（可能是遠(yuǎn)程也可能是本地耐齐，但是是通過網(wǎng)絡(luò)來通信的進(jìn)程）浪秘。

當(dāng)socket對象之間連接建立成功蒋情，進(jìn)程持有的socket即可以抽象為遠(yuǎn)端文件，通過對這個文件進(jìn)行讀寫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換也就是所謂的通信耸携。

ServerSocket的使用目的是監(jiān)聽主機(jī)端口棵癣，接收到連接后返回一個Socket對象建立通信，這是基于TCP的可靠連接通信夺衍。UDP通信中無需雙方建立連接狈谊。

• ServerSocket(縮寫成SS)的核心屬性：
  1. bindAddr， 宿主主機(jī)的IP地址
  2. port沟沙，監(jiān)聽的端口號
  3. backlog河劝，請求傳入連接隊列的最大長度
• 核心API

1. 實例化對象

// 創(chuàng)建一個未綁定的SS.此方法創(chuàng)建的SS需要調(diào)用bind方法綁定端口
public ServerSocket() throws IOException;

// 創(chuàng)建一個綁定到指定端口號的SS
// 端口號指定為0，則自動選擇
// backlog=50
public ServerSocket(int port) throws IOException {
        this(port, 50, null);
    }

public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException;

// 核心方法
// @param bindAddr the local InetAddress the server will bind to
// InetAddress 是對IP地址的封裝
public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) 
  throws IOException ;

2. bind
   手動綁定到端

public void bind(SocketAddress endpoint) throws IOException
public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) throws IOException ;

endpoint是SocketAddress類型矛紫，使用其實現(xiàn)類InetSocketAddress來構(gòu)造地址（IP+Port）赎瞎。指定端地址的創(chuàng)建SS方法不需要再手動綁定。

3. 監(jiān)聽連接

public Socket accept() throws IOException ;

阻塞方法颊咬，在連接到達(dá)之前一直阻塞务甥，有連接時返回一個對該連接抽象的Socket對象

4. 其他
   獲取地址信息： getInetAddress(),getLocalPort(),getLocalSocketAddress()[IP+Port]
   檢查狀態(tài)：isBound(),isClosed()
   關(guān)閉：close() （ServerSocket實現(xiàn)了Closeable接口）
   accept超時時間：setSoTimeout(int timeout),getSoTimeout()

• 示例

public class TestServerSocket {

    private static final int PORT = 12345;
    private static final int BACKLOG = 100;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss = getServerSocket();
        System.out.println("server start...");
        while (true) {
            Socket socket = ss.accept();
            System.out.println("connect incoming: " 
                                        + socket.getRemoteSocketAddress());

        }
    }

    private static ServerSocket getServerSocket() throws IOException {
        ServerSocket ss = new ServerSocket(PORT);
        // or
        ss = new ServerSocket(PORT, BACKLOG);
        // or
        InetAddress bindAddr = InetAddress.getLocalHost();
        ss = new ServerSocket(PORT, BACKLOG, bindAddr);
        // or
        ss = new ServerSocket();
        SocketAddress endpoint = new InetSocketAddress("localhost", PORT);
        ss.bind(endpoint, BACKLOG);

        return ss;
    }
}

Socket類

A socket is an endpoint for communication between two machines.

• Socket使用：

1. 創(chuàng)建連接到遠(yuǎn)端端點的Socket對象（實例化和連接）
2. 讀寫socket進(jìn)行面向流的通信

• 創(chuàng)建socket（連接）

// 創(chuàng)建一個未連接的socket對象，可顯式調(diào)用connect連接
public Socket()喳篇；
// 指定代理創(chuàng)建一個未連接的socket對象敞临，可顯式調(diào)用connect連接
public Socket(Proxy proxy)；
// 創(chuàng)建一個連接到指定地址的socket對象
public Socket(String host, int port)
        throws UnknownHostException, IOException杭隙；
public Socket(InetAddress address, int port) throws IOException哟绊；
// 同時為socket綁定本地地址，也可以顯式調(diào)用bind方法來綁定本地地址痰憎；默認(rèn)是自動分配（端口號）
public Socket(String host, int port, InetAddress localAddr,
                  int localPort) throws IOException 

/**
連接票髓、bind
*/
public void connect(SocketAddress endpoint) throws IOException ；
/*
* Connects this socket to the server with a specified timeout value.
* A timeout of zero is interpreted as an infinite timeout. The connection
* will then block until established or an error occurs.
*/
public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) throws IOException 铣耘；
// Binds the socket to a local address.
public void bind(SocketAddress bindpoint) throws IOException

• 讀寫socket進(jìn)行通信

socket.getInputStream();
socket.getOutputStream();

• 示例

    private static final int PORT = 12345;
    private static final String HOST = "localhost";
    private static final int LOCAL_PORT = 23456;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = getSocket();
        // communicate
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        os.write("hellosocket".getBytes());
        os.flush();
        socket.close();

    }

    private static Socket getSocket() throws IOException {
        Socket sock = new Socket();
        SocketAddress endpoint = new InetSocketAddress(HOST, PORT);
        sock.connect(endpoint);
        // or sock = new Socket(HOST, PORT);
        // or sock = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), PORT);
        // or sock = new Socket(HOST, PORT, InetAddress.getLocalHost(),
        // LOCAL_PORT);
        return sock;
    }

基于BIO的UDP通信

UDP的工作方式與TCP相比略有不同洽沟。使用UDP通信時，在客戶端與服務(wù)器之間并沒有建立連接的概念蜗细，客戶端發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)裆操，服務(wù)器可能（也可能并沒有）收到這些數(shù)據(jù)，而且客戶端也并不知道這些數(shù)據(jù)是否被服務(wù)器成功接收炉媒。當(dāng)服務(wù)器向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)時也是如此踪区。

正因為是不可靠的數(shù)據(jù)傳輸，UDP相比與TCP來說少了很多的協(xié)議開銷吊骤。

使用UDP通信不需要建立連接缎岗，沒有TCP三次握手的連接動作，只需要在通信時指定消息的接收者地址即可白粉，類似于短信传泊，交互需要發(fā)送-接收-發(fā)送鼠渺，每一步都是獨立的。

DatagramSocket

DatagramSocket類實現(xiàn)“UDP通信”眷细，包括客戶端和服務(wù)器端往堡。雖然UDP方式的網(wǎng)絡(luò)通訊不需要建立專用的網(wǎng)絡(luò)連接醒陆，但是畢竟還是需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)钓猬，DatagramSocket實現(xiàn)的就是發(fā)送數(shù)據(jù)時的發(fā)射器誊锭，以及接收數(shù)據(jù)時的監(jiān)聽器的角色。

• 創(chuàng)建實例

// 創(chuàng)建一個自動分配本地端口的DatagramSocket
public DatagramSocket() throws SocketException ;
// 指定綁定的本地地址
public DatagramSocket(SocketAddress bindaddr) throws SocketException 校读；
// 指定本地綁定端口
public DatagramSocket(int port) throws SocketException 奔害；
//  指定本地綁定地址和端口
public DatagramSocket(int port, InetAddress laddr) throws SocketException；

• bind
  public synchronized void bind(SocketAddress addr) throws SocketException

• send
  發(fā)送信息

/**
     * Sends a datagram packet from this socket. The
     * {@code DatagramPacket} includes information indicating the
     * data to be sent, its length, the IP address of the remote host,
     * and the port number on the remote host.
     *
*/
public void send(DatagramPacket p) throws IOException

發(fā)送的目的地址在報文對象內(nèi)配置地熄。

• receive

    /**
     * Receives a datagram packet from this socket. When this method
     * returns, the {@code DatagramPacket}'s buffer is filled with
     * the data received. The datagram packet also contains the sender's
     * IP address, and the port number on the sender's machine.
     * <p>
     * This method blocks until a datagram is received. The
     * {@code length} field of the datagram packet object contains
     * the length of the received message. If the message is longer than
     * the packet's length, the message is truncated.
     * <p>
    */
    public synchronized void receive(DatagramPacket p) throws IOException 

DatagramPacket

DatagramPacket類實現(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝，也就是說芯杀，該類的對象代表網(wǎng)絡(luò)中交換的數(shù)據(jù)端考。在UDP方式的網(wǎng)絡(luò)編程中，無論是需要發(fā)送的數(shù)據(jù)還是需要接收的數(shù)據(jù)揭厚，都必須被處理成DatagramPacket類型的對象却特，該對象中包含發(fā)送到的地址、發(fā)送到的端口號以及發(fā)送的內(nèi)容等筛圆。其實DatagramPacket類的作用類似于現(xiàn)實中的信件裂明，在信件中包含信件發(fā)送到的地址以及接收人，還有發(fā)送的內(nèi)容等太援，郵局只需要按照地址傳遞即可闽晦。在接收數(shù)據(jù)時，接收到的數(shù)據(jù)也必須被處理成DatagramPacket類型的對象提岔，在該對象中包含發(fā)送方的地址仙蛉、端口號等信息，也包含數(shù)據(jù)的內(nèi)容碱蒙。和TCP方式的網(wǎng)絡(luò)傳輸相比荠瘪，IO編程在UDP方式的網(wǎng)絡(luò)編程中變得不是必須的內(nèi)容，結(jié)構(gòu)也要比TCP方式的網(wǎng)絡(luò)編程簡單一些赛惩。

    /**
     * Constructs a {@code DatagramPacket} for receiving packets of
     * length {@code length}, specifying an offset into the buffer.
     * <p>
     * The {@code length} argument must be less than or equal to
     * {@code buf.length}.
     *
     * @param   buf      buffer for holding the incoming datagram.
     * @param   offset   the offset for the buffer
     * @param   length   the number of bytes to read.
     *
     * @since 1.2
     */
    public DatagramPacket(byte buf[], int offset, int length) {
        setData(buf, offset, length);
        this.address = null;
        this.port = -1;
    }

 
    public DatagramPacket(byte buf[], int length) {
        this (buf, 0, length);
    }

    /**
     * Constructs a datagram packet for sending packets of length
     * {@code length} with offset {@code ioffset}to the
     * specified port number on the specified host. The
     * {@code length} argument must be less than or equal to
     * {@code buf.length}.
     *
     * @param   buf      the packet data.
     * @param   offset   the packet data offset.
     * @param   length   the packet data length.
     * @param   address  the destination address.
     * @param   port     the destination port number.
     * @see java.net.InetAddress
     *
     * @since 1.2
     */
    public DatagramPacket(byte buf[], int offset, int length,
                          InetAddress address, int port) {
        setData(buf, offset, length);
        setAddress(address);
        setPort(port);
    }

    /**
     * Constructs a datagram packet for sending packets of length
     * {@code length} with offset {@code ioffset}to the
     * specified port number on the specified host. The
     * {@code length} argument must be less than or equal to
     * {@code buf.length}.
     *
     * @param   buf      the packet data.
     * @param   offset   the packet data offset.
     * @param   length   the packet data length.
     * @param   address  the destination socket address.
     * @throws  IllegalArgumentException if address type is not supported
     * @see java.net.InetAddress
     *
     * @since 1.4
     */
    public DatagramPacket(byte buf[], int offset, int length, 
                                      SocketAddress address) {
        setData(buf, offset, length);
        setSocketAddress(address);
    }

    public DatagramPacket(byte buf[], int length,
                          InetAddress address, int port) {
        this(buf, 0, length, address, port);
    }

    public DatagramPacket(byte buf[], int SocketAddress address) {
        this(buf, 0, length, address);
    }

指定address的用作發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝哀墓，沒有address的用來封裝接收到的數(shù)據(jù)。

示例

• UDPserver

/*
* UDP 服務(wù)端
*/

public class UDPServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 綁定端口用于在端口監(jiān)聽數(shù)據(jù)到來
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(12345);
        // 接收數(shù)據(jù)的buffer
        byte[] buf = new byte[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buf, 1024);
        // 阻塞方法喷兼，阻塞直到有數(shù)據(jù)到達(dá)
        ds.receive(dp);
        // 解析數(shù)據(jù)
        String data = new String(dp.getData(), 0, dp.getLength());
        String ip = dp.getAddress().getHostAddress();
        int port = dp.getPort();

        System.out.println("ip地址：" + ip + " 端口號：" + port + " 消息：" + data);
        // 關(guān)閉socket
        ds.close();
    }
}

• UDPclient

public class UDPClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創(chuàng)建socket
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
        String message = "Hello Java World!";
        // 封裝報文對象
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(message.getBytes(), 
                           message.length(), InetAddress.getByName("127.0.0.1"),
                12345);
        // 發(fā)送報文
        ds.send(dp);
        ds.close();
    }
}

參考資料
[1] Java網(wǎng)絡(luò)教程
[2] Java網(wǎng)絡(luò)編程：UDP通信