实现一个的简单的网络聊天程序

Posted 2020-11-23 爱晴天

　　本次实验采用Java语言，编写了一个简单的聊天室程序，可以实现多人之间的聊天。以下将对该程序进行详尽分析，并对比分析该编程语言提供的网络接口API与Linux Socket API之间的关系。

1、 网络通信相关要素

1） 协议

　　通信的协议还是比较复杂的， java.net 包中包含的类和接口，它们提供低层次的通信细节。我们可以直接使用这 些类和接口，来专注于网络程序开发，而不用考虑通信的细节。 java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持： TCP：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。TCP协议是面向连接的通信协议，即传输数据之前， 在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。 三次握手：TCP协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可 靠。 第一次握手，客户端向服务器端发出连接请求，等待服务器确认。 第二次握手，服务器端向客户端回送一个响应，通知客户端收到了连接请求。 第三次握手，客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接。整个交互过程如下图所示。

 

 　　完成三次握手，连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性，TCP协议可 以保证传输数据的安全，所以应用十分广泛，例如下载文件、浏览网页等。

　　UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)。UDP协议是一个面向无连接的协议。传输数据时，不需 要建立连接，不管对方端服务是否启动，直接将数据、数据源和目的地都封装在数据包中，直接发送。每个 数据包的大小限制在64k以内。它是不可靠协议，因为无连接，所以传输速度快，但是容易丢失数据。日常应 用中,例如视频会议、QQ聊天等。

2） IP地址

　　IP地址：指互联网协议地址（Internet Protocol Address），俗称IP。IP地址用来给一个网络中的计算机设 备做唯一的编号。

　　IP地址分类 IPv4：是一个32位的二进制数，通常被分为4个字节，表示成 a.b.c.d 的形式，例如 192.168.65.100 。其 中a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数，那么最多可以表示42亿个。IPv6：由于互联网的蓬勃发展，IP地址的需求量愈来愈大，但是网络地址资源有限，使得IP的分配越发紧张。 有资料显示，全球IPv4地址在2011年2月分配完毕。 为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间，采用128位地址长度，每16个字节一组，分成8组十六进 制数，表示成 ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789 ，号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个网 址，这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。

3） 端口号

　　网络的通信，本质上是两个进程（应用程序）的通信。每台计算机都有很多的进程，那么在网络通信时，如何区分 这些进程呢？ 如果说IP地址可以唯一标识网络中的设备，那么端口号就可以唯一标识设备中的进程（应用程序）了。 端口号：用两个字节表示的整数，它的取值范围是0~65535。其中，0~1023之间的端口号用于一些知名的网 络服务和应用，普通的应用程序需要使用1024以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用，会 导致当前程序启动失败。 利用 协议 + IP地址 + 端口号 三元组合，就可以标识网络中的进程了，那么进程间的通信就可以利用这个标识与其 它进程进行交互。

2、 服务端程序主要代码

/**
     * 创建服务器 启动服务监听1001端口
     */
    public AppServer()
    {
        sFrame = new ServerFrame();
        try
        {
            serverSocket = new ServerSocket(1001);
            InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();
            sFrame.txtServerName.setText(address.getHostName());
            sFrame.txtIP.setText(address.getHostAddress());
            sFrame.txtPort.setText("1001");
        } catch (IOException e)
        {
            fail(e, "不能启动服务！");
        }
        sFrame.txtStatus.setText("已启动...");
        this.start(); // 启动线程
    }

3、 客户端程序主要代码

public void run() {
        int intMessageCounter = 0;
        int intUserTotal = 0;
        boolean isFirstLogin = true; // 判断是否刚登陆
        boolean isFound; // 判断是否找到用户
        Vector user_exit = new Vector();

        try {
            for (;;) {
                Socket toServer;
                toServer = new Socket(strServerIp, 1001);
                // 将信息发往服务器
                messobj = new Message();
                ObjectOutputStream streamtoserver = new ObjectOutputStream(
                        toServer.getOutputStream());
                streamtoserver.writeObject((Message) messobj);
                // 收来自服务器的信息
                ObjectInputStream streamfromserver = new ObjectInputStream(
                        toServer.getInputStream());
                messobj = (Message) streamfromserver.readObject();
                // //////刷新聊天信息列表//////////
                if (isFirstLogin) // 如果刚登陆
                {
                    intMessageCounter = messobj.chat.size(); // 屏蔽该用户登陆前的聊天内容
                    isFirstLogin = false;
                }
                if (!serverMessage.equals(messobj.serverMessage)) {
                    serverMessage = messobj.serverMessage;
                    taUserMessage.append("[系统消息]：" + serverMessage+"\\n");
                }
                for (int i = intMessageCounter; i < messobj.chat.size(); i++) {
                    Chat temp = (Chat) messobj.chat.elementAt(i);

                    String temp_message;
                    if (temp.chatUser.equals(strLoginName)) {
                        if (temp.chatToUser.equals(strLoginName)) {
                           temp_message = "系统提示您：请不要自言自语！" + "\\n";
                        } else {
                            if (!temp.whisper) 
                            {
                            temp_message = temp.chatUser + ":"+ temp.chatMessage+ "\\n";
                            } 
                        }
                    } else {
                        if (temp.chatToUser.equals(strLoginName)) {
                            if (!temp.whisper) 
                            {
                            temp_message = temp.chatUser + ":"+ temp.chatMessage+ "\\n";
                            } 
                        } else {
                            if (!temp.chatUser.equals(temp.chatToUser)) // 对方没有自言自语
                            {
                                if (!temp.whisper) // 不是悄悄话
                                {
                                 temp_message = temp.chatUser + ":"+ temp.chatMessage+ "\\n";
                                } else {
                                    temp_message = "";
                                }
                            } else {
                                temp_message = "";
                            }
                        }
                    }
                    taUserMessage.append(temp_message);
                    intMessageCounter++;
                }

 

4、 实验结果截图

 　　实现基于tcp的网络通信，服务端程序监听本地ip地址127.0.0.1，监听端口号为1001。客户端程序向本机该端口号发送消息。服务器接收到客户端消息，将该消息转发给每一个客户端，从而实现多人通信。

5、java socket接口与Linux socket api之间的关系

　　在Java中，提供了两个类用于实现TCP通信程序： 1. 客户端： java.net.Socket 类表示。创建 Socket 对象，向服务端发出连接请求，服务端响应请求，两者建 立连接开始通信。 2. 服务端： java.net.ServerSocket 类表示。创建 ServerSocket 对象，相当于开启一个服务，并等待客户端 的连接。以下是java中socket编程中一些常用方法，即接口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。

那么java 这些接口与Linux socket api之间有哪些关系呢？

1)Socket toServer = new Socket(strServerIp, 1001)即socket接口对Linux API的调用，具体如下：

　　　　1 创建socket结构体
　　　　2 将对应socket和本地协议地址对应(执行bind函数)，将当前网络命名空间名和端口存到bhash()，可以理解为，绑定到系统能够找到的地方。

　　　　3 listen()监听，即检查侦听端口是否存在bhash中，初始化csk_accept_queue，将tcp_sock指针存放到listening_hash表。

2)accpet()方法在Linux 的底层详细如下：　　

  linux中由TCP服务器调用，从已完成的连接队列的队头返回下一个已完成连接；成功则会返回由内核创建的新的描述符,在并发服务器中，accept()返回后，服务器会调用fork函数，创建一个子进程，由该子进程来和客户端进行通讯，此时套接口对应文件描述符的引用计数会增加。