JAVA通信系列一：Java Socket技术总结

Posted 2020-09-30

 本文是学习java Socket整理的资料，供参考。

1       Socket通信原理

1.1     ISO七层模型

1.2     TCP/IP五层模型

 

         应用层相当于OSI中的会话层，表示层，应用层。

         区别参考：http://blog.chinaunix.net/uid-22166872-id-3716751.html

 

1.3     TCP报文

 

（1）序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。

  （2）确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。

  （3）标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：

  （A）URG：紧急指针（urgent pointer）有效。

  （B）ACK：确认序号有效。

  （C）PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。

  （D）RST：重置连接。

  （E）SYN：发起一个新连接。

  （F）FIN：释放一个连接。

 

 需要注意的是：

  （A）不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。

  （B）确认方Ack=发起方Req+1，两端配对。

1.4     Socket通信

       Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

1.5     三次握手

         Socket连接建立和关闭，详见：http://www.2cto.com/net/201310/251896.html

2       通信基本概念

2.1     短连接

连接->传输数据->关闭连接 

短连接是指SOCKET连接，发送数据，接收数据后，马上断开连接。 

比如：

HTTP1.0默认是短连接，无状态的，浏览器和服务器每进行一次HTTP操作，就建立一次连接，但任务结束就中断连接。 、

Http1.1默认是长连接

无状态：协议对于事务处理没有记忆能力；

2.2     长连接

连接->传输数据->保持连接 -> 传输数据-> 。。。 ->关闭连接。 

建立SOCKET连接后，不管是否使用，一致保持连接。

2.3     半包

接受方没有接受到一个完整的包，只接受了部分；

原因：TCP为提高传输效率，将一个包分配的足够大，导致接受方并不能一次接受完。

影响：长连接和短连接中都会出现

2.4     粘包

发送方发送的多个包数据到接收方接收时粘成一个包，从接收缓冲区看，后一包数据的头紧接着前一包数据的尾。

分类：一种是粘在一起的包都是完整的数据包，另一种情况是粘在一起的包有不完整的包

出现粘包现象的原因是多方面的:

1)发送方粘包：由TCP协议本身造成的，TCP为提高传输效率，发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一包数据。若连续几次发送的数据都很少，通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一包后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据。

2)接收方粘包：接收方用户进程不及时接收数据，从而导致粘包现象。这是因为接收方先把收到的数据放在系统接收缓冲区，用户进程从该缓冲区取数据，若下一包数据到达时前一包数据尚未被用户进程取走，则下一包数据放到系统接收缓冲区时就接到前一包数据之后，而用户进程根据预先设定的缓冲区大小从系统接收缓冲区取数据，这样就一次取到了多包数据。

2.5     分包

分包（1）：在出现粘包的时候，我们的接收方要进行分包处理；

分包（2）：一个数据包被分成了多次接收；

原因：1. IP分片传输导致的；2.传输过程中丢失部分包导致出现的半包；3.一个包可能被分成了两次传输，在取数据的时候，先取到了一部分（还可能与接收的缓冲区大小有关系）。

影响：粘包和分包在长连接中都会出现

2.6     如何解决半包，粘包问题

出现粘包和半包现象,是因为TCP当中,只有流的概念,没有包的概念。

UDP不会出现半包，粘包情况，原因是UDP是一个完整的数据包，发送时不进行合并，因此接收的时候就不存在粘包情况。

 

固定长度：每次发送固定长度的数据；

特殊标示：以回车，换行作为特殊标示；获取到指定的标识时，说明包获取完整。

字节长度：包头+包长+包体的协议形式，当服务器端获取到指定的包长时才说明获取完整；

 

参考文章（有图）：http://blog.csdn.net/pi9nc/article/details/17165171

2.7     什么时候需要考虑粘包的情况

短连接：不用考虑粘包的情况；

发送数据无结构，如文件传输，这样发送方只管发送，接收方只管接收存储，也不用考虑粘包；

长连接：需要在连接后一段时间内发送不同结构数据；

 

处理方式：接收方创建一预处理线程，对接收到的数据包进行预处理，将粘连的包分开；

2.8     TCP与UDP的差别

• 基于连接与无连接；
• 对系统资源的要求（TCP较多，UDP少）；
• UDP程序结构较简单；
• 流模式与数据报模式 ；
• TCP保证数据正确性，UDP可能丢包，TCP保证数据顺序，UDP不保证。
• 网络分化：机器本身是好的，但是之间的通信出现问题；
• 网络抖动：网络中的延迟是指信息从发送到接收经过的延迟时间，一般由传输延迟及处理延迟组成；而抖动是指最大延迟与最小延迟的时间差，如最大延迟是20毫秒，最小延迟为5毫秒，那么网络抖动就是15毫秒，它主要标识一个网络的稳定性。

2.9     其他通信问题

2.10         参考资料

一个包没有固定长度，以太网限制在46－1500字节，1500就是以太网的MTU，超过这个量，TCP会为IP数据报设置偏移量进行分片传输，现在一般可允许应用层设置8k（NTFS系）的缓冲区，8k的数据由底层分片，而应用看来只是一次发送。

 

对于UDP，就不要太大，一般在1024至10K。注意一点，你无论发多大的包，IP层和链路层都会把你的包进行分片发送，一般局域网就是1500左右，广域网就只有几十字节。分片后的包将经过不同的路由到达接收方，对于UDP而言，要是其中一个分片丢失，那么接收方的IP层将把整个发送包丢弃，这就形成丢包。

 

TCP作为流，发包是不会整包到达的，而是源源不断的到，那接收方就必须组包。而UDP作为消息或数据报，它一定是整包到达接收方。

 

关于接收，一般的发包都有包边界，首要的就是你这个包的长度要让接收方知道，于是就有个包头信息，对于TCP，接收方先收这个包头信息，然后再收包数据。一次收齐整个包也可以，可要对结果是否收齐进行验证。这也就完成了组包过程。UDP，那你只能整包接收了。要是你提供的接收Buffer过小，TCP将返回实际接收的长度，余下的还可以收，而UDP不同的是，余下的数据被丢弃并返回WSAEMSGSIZE错误。注意TCP，要是你提供的Buffer佷大，那么可能收到的就是多个发包，你必须分离它们，还有就是当Buffer太小，而一次收不完Socket内部的数据，那么Socket接收事件(OnReceive)，可能不会再触发，使用事件方式进行接收时。

3       Socket实例

3.1     Socket通信模型

 

 

 

3.2     Socket架构完整模型

• 解决半包，粘包（编解码）
• 服务端支持多线程
• 支持心跳检测
• 指定端口实例化一个SeverSocket
• 调用ServerSocket的accept()方法，以在等待连接期间造成阻塞
• 获取位于该底层的Socket的流以进行读写操作
• 将数据封装成流
• 对Socket进行读写
• 关闭打开的流

3.3     服务端开发

 

//建立ServerSocket对象，监听绑定端口

ServerSocket server=new ServerSocket(1000);

 

//建立接收Socket，阻塞响应

Socket client=server.accept();

 

//获得输入流，用于接收客户端信息

InputStream in=server.getInputStream();

//获得输出流，用于输出客户端信息

 

//对输入流进行包装，方便使用

BufferedReader inRead=new BufferedReader(new InputStreamReader(in));

//对输出流进行包装，方便使用

PrintWriter outWriter=new PrintWriter(out);

 

while(true)

{

String str=inRead.readLine();//读入

outWriter.println("输出到客户端");

outWriter.flush();//输出

if(str.equals("end"))

{

break;

}

}

//关闭Socket

client.close();

server.close();

 

3.4     客户端开发

• 通过IP地址和端口实例化Socket，请求连接服务器
• 获得Socket上的流以进行读写
• 把流封装进BufferedReader/PrintWriter的实例
• 对Socket进行读写
• 关闭打开的流

 

//使用Socket，建立与服务端的连接

Socket client=new Socket("127.0.0.1",1000);

InputStream in=client.getInputStream();//获得输入流

OutputStream out=client.getOutputStream();//获得输出流

//包装输入流，输出流

BufferedReader inRead=new BufferedReader(new InputStreamReader(in));

PrintWriter outWriter=new PrintWriter(out);

//获得控制台输入

BufferedReader inConsole=new BufferedReader(new InputStreamReader(in));

while(true)

{

String str=inConsole.readLine();//读取控制台输入

outWriter.println(str);//输出到服务端

outWriter.flush();//刷新缓冲区

if(str.equals("end"))

{

break;

}//退出

System.out.println(inRead.readLine())//读取服务端输出

}

client.close();

 

DOS下运行客户端

java -classpath sockettest-0.0.1-SNAPSHOT.jar cn.com.gome.sockettest.basic.ClientTest

3.5     多线程服务端

 

3.6     心跳检测

         方法1：socket.sendUrgentData(0);//发送1个字节的紧急数据，默认情况下，服务器端没有开启紧急数据处理，不影响正常通信

try{
      socket.sendUrgentData(0xFF);
}catch(Exception ex){
      reconnect();
}

         只要对方Socket的SO_OOBINLINE属性没有打开，就会自动舍弃这个字节，而SO_OOBINLINE属性默认情况下就是关闭的。

 

         方法2：自定义心跳字符串

3.7     各类数据读写

         传输字节，字符，对象【ObjectInputStream ObjectOutputStream】（实例）

参考：

http://www.cnblogs.com/itfly8/p/5844803.html