基于JAVA套接字的简单网络聊天程序

Posted 2020-11-24

网络中进程之间如何通信

本地的进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：

• 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
• 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
• 共享内存（匿名的和具名的）
• 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

但这些都不是本文的主题！我们要讨论的是网络中进程之间如何通信？首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是为什么说“一切皆socket”。

TCP简介

　　1.TCP介绍

　　　　a>TCP协议：TCP协议，传输控制协议（英语：Transmission Control Protocol，缩写为：TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议

　　　　1.面向连接：先连接，再通信，好比打电话模型

　　　　2.可靠的，相对于UDP，TCP传输更可靠，TCP通过一序列的机制（面向连接机制、发送应答机制）来保障传输的可靠性

　　　　3.基于字节流的，UDP创建UDP socket——DGRAM：基于数据报通信方式，每一次发送的数据都是一个独立的整体，包含目标主机的ip地址、端口号及发送数据的内容

　　　　b>TCP通信的三个步骤

　　　　基于面向连接的：1.与服务端建立连接

　　　　　　　　　　　　2.收发数据

　　

 

 

　　　　　　　　　　3.关闭连接

　　2.TCP特点

　　　　a>面向连接

　　　　1.先建立连接，再进行通信

　　　　2.TCP连接是一对一的，而UDP可以一对一或一对多，UDP适合做广播程序

　　　　a>可靠传输：通过一序列机制来保障TCP传输数据比UDP更可靠

　　　　1.传送应答机制

　　　　2.超时重传机制

　　　　3.错误校验

　　　　4.流量控制/阻塞管理

JavaSocket编程

        在Java环境下，Socket编程主要是指基于 TCP/IP协议 的网络编程。

 

        Socket工作过程包含以下四个步骤：

　　（1） 创建Socket；

　　（2） 打开连接到Socket的输入/输出流；

　　（3） 按照一定的协议对Socket进行读/写操作；

　　（4） 关闭Socket

 

java中的Socket类主要包括两个：Socket（客户端）和 ServerSocket（服务器端）

1）Socket 类

　　　　Socket 类：该类实现客户端套接字，套接字指的是两台设备之间通讯的端点。 构造方法public Socket(String host, int port) :创建套接字对象并将其连接到指定主机上的指定端口号。如果指 定的host是null ，则相当于指定地址为回送地址。
　　　　成员方法 ：

　　       public InputStream getInputStream() ： 返回此套接字的输入流。如果此Scoket具有相关联的通道，则生成的InputStream 的所有操作也关联该通道。 关闭生成的InputStream也将关闭相关的Socket。

　　　　public OutputStream getOutputStream() ： 返回此套接字的输出流。 如果此Scoket具有相关联的通道，则生成的OutputStream 的所有操作也关联该通道。 关闭生成的OutputStream也将关闭相关的Socket。
　　　　public void close() ：关闭此套接字。 一旦一个socket被关闭，它不可再使用。 关闭此socket也将关闭相关的InputStream和OutputStream 。
　　　　public void shutdownOutput() ： 禁用此套接字的输出流。 任何先前写出的数据将被发送，随后终止输出流。

 

 

　　2）ServerSocket类
　　ServerSocket 类：这个类实现了服务器套接字，该对象等待通过网络的请求。

　　构造方法

 

 

　　　　 public ServerSocket(int port) ：使用该构造方法在创建ServerSocket对象时，就可以将其绑定到一个指定的端口号上，参数port就是端口号。

　　　　构造举例，代码如下： ServerSocket server = new ServerSocket(6666);

　　成员方法

　　　　public Socket accept() ：侦听并接受连接，返回一个新的Socket对象，用于和客户端实现通信。该方法
会一直阻塞直到建立连接。

socket中TCP的三次握手建立连接详解

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

• 客户端向服务器发送一个SYN J
• 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
• 客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

 

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

 

socket中TCP的四次握手释放连接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

 

图示过程如下：

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
• 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

Java的Socket库函数与Linux的Socket系统调用之间的区别：

Java通过JVM实现了优良的跨平台性，同一段写好的代码，移植到不同的操作系统上可直接执行，不受操作系统的限制，一处编译，到处执行，JAVA的SOCKET编程的底层原理是JVM将JAVA程序解析出来的参数传递给所对应的C++程序，由C++执行完之后回传给JAVA。

而LINUX自带的SOCKET编程只能再LINUX操作系统下使用，同时JAVA与LINUX的API也不一致。

一个小例子：

服务端代码：

package ray;
import java.io.*;
import java.net.*;
public class Server {
    private static ServerSocket server;

    public static void main(String[] args) throws IOException{
        server = new ServerSocket(1100);
        System.out.println("服务器启动成功，等待用户接入...");
        //等待用户接入，直到有用户接入为止，Socket对象表示客户端
        Socket client = server.accept();
        //得到接入客户端的IP地址
        System.out.println("有客户端接入，客户IP：" + client.getInetAddress());
        InputStream in = client.getInputStream();//从客户端生成网络输入流，用于接收来自网络的数据
        
        OutputStream out = client.getOutputStream();//从客户端生成网络输出流，用来把数据发送到网络上

        byte[] bt = new byte[1024];//定义一个字节数组，用来存储网络数据
        int len = in.read(bt);//将网络数据写入字节数组
        String data = new String(bt, 0 , len);//将网络数据转换为字符串数据
        System.out.println("来自客户端的消息：" + data);
        out.write("我是服务器，欢迎光临".getBytes());//服务器端数据发送（以字节数组形式）
        client.close();//关闭套接字
    }
}

客户端代码：

package ray;
import java.io.*;
import java.net.*;
public class Client {
    private static Socket client;

    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {
        client = new Socket("127.0.0.1", 1100);
        System.out.println("连接服务器成功");
        InputStream in = client.getInputStream();//从客户端生成网络输入流，用于接收网络数据
        OutputStream out = client.getOutputStream();//从客户端生成网络输出流，用来发送数据
        out.write("我是客户端，欢迎光临".getBytes());//客户端数据发送
        byte[] bt = new byte[1024];//定义一个字节数组，用来存储网络数据
        int len = in.read(bt);//将网络数据写入字节数组
        String data = new String(bt, 0 ,len);//将网络数据转换为字符串数据
        System.out.println("来自服务器的消息：" + data);
        client.close();//关闭套接字
    }
}

运行结果展示：

服务器端：