Java实现——Socket网络通信的机制以及实现举例

1. 网络间的进程通信与Socket

TCP/IP协议族中网络层的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）。这样利用这三元组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。

Socket通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄，可以用来实现不同虚拟机或不同计算机之间的通信。在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用Socket来实现网络进程之间的通信。

Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种，因此两者之间是没有必然联系的。在Java环境下，Socket编程主要是指基于TCP/IP协议的网络编程。

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2. 传输协议

2.1 TCP

TCP是Tranfer Control Protocol的简称，是一种面向连接的保证可靠传输的协议。通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个socket之间必须建立连接，需要连接时间，以便在TCP协议的基础上进行通信。

优缺点和应用场景

（1）可靠稳定，传递数据前，会有三次握手建立连接，面向有连接。

（2）传递数据时，有确认、窗口（流量控制）、重传、拥塞控制。确认机制保证接收端每收到一个正确包都会回应给发送端，超时或者数据包不完整的话发送端会重传。

缺点也比较明显了：

（1）整体来说传输慢，效率低，占用系统资源高。

（2）传递数据前，建立连接需要耗时，传递数据时，确认、重传、拥塞等会消耗大量时间以及CPU和内存等硬件资源。

（3）因为有确认机制、三次握手等机制，容易被人利用，实现DOS 、DDOS攻击。

当对网络通讯质量有要求的时候，比如：整个数据要准确无误的传递给对方，这往往用于一些要求可靠的应用，比如HTTP、HTTPS、FTP等传输文件的协议，POP、SMTP等邮件传输的协议。

TCP连接的三次握手和四次挥手机制

为了控制本篇篇幅，关于TCP三次握手和四次挥手的知识请看这篇。

2.2 UDP

UDP是User Datagram Protocol的简称，是一种无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，因此无需建立发送方和接收方的连接，它在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性、次序性都是不能被保证的。而且被传输数据报必须限定在64k以内。

优缺点和应用场景

把TCP的缺点拿过来就成了UDP的优点，效率高了传输快了，且更安全。缺点也就是TCP的优点，即UDP不可靠不稳定、容易丢包。

当对网络通讯质量要求不高的时候，要求网络通讯速度能尽量的快，这时就可以使用UDP。 常见使用UDP协议的应用有QQ语音视频等。

2.3  TCP对比UDP

这里只需要说明其中一条有无边界：

TCP无边界指客户端分多次发送数据给服务器，若服务器的缓冲区够大，那么服务器端会在客户端发送完之后一次性接收过来，所以是无边界的；UDP有边界指客户端每发送一次，服务器端就会接收一次，也就是说发送多少次就会接收多少次，因此是有边界的。

3. 基于Socket的Java网络编程

3.1 利用Socket建立连接的过程
套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。
（1）服务器监听：服务器端套接字处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。
（2）客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。
（3）连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

3.2 Socket的Java实现

	import java.io.DataInputStream;
	import java.io.DataOutputStream;
	import java.io.IOException;
	import java.net.ServerSocket;
	import java.net.Socket;
	public class SocketManager {
	    public static void main(String[] args) {
	        SocketManager manager = new SocketManager();
	        manager.doListen();
	    }
	
	    public void doListen() {
	        ServerSocket server;
	        try {
	            server = new ServerSocket(9991);
	            while (true) {
	                Socket client = server.accept();
	                new Thread(new SSocket(client)).start();
	            }
	        } catch (IOException e) {
	            e.printStackTrace();
	        }
	    }
	    //服务器进程
	    class SSocket implements Runnable {
	        Socket client;
	        public SSocket(Socket client) {
	            this.client = client;
	        }
	
	        public void run() {
	            DataInputStream input;
	            DataOutputStream output;
	            try {
	                input = new DataInputStream(client.getInputStream());
	                output = new DataOutputStream(client.getOutputStream());
	                String listMsg = input.readUTF();
	                output.writeUTF("Send : " + listMsg + " 
 HelloVillage...");
	                System.out.println("Recive: " + listMsg);
	                listMsg = input.readUTF();
	                output.writeUTF("Send Second: " + listMsg + " 
 HelloVillage...");
	                System.out.println("Recive Second: " + listMsg);
	            } catch (IOException e) {
	                e.printStackTrace();
	            }
	        }
	    }
	}

	import java.io.DataInputStream;
	import java.io.DataOutputStream;
	import java.io.IOException;
	import java.io.OutputStream;
	import java.net.Socket;
	import java.net.UnknownHostException;	
	public class SocketClient {
	    public static void main(String[] args) {
	        Socket socket = null;
	        try {
	            socket = new Socket("127.0.0.1", 9991);
	            //向服务器端第一次发送字符串 
	            OutputStream netOut = socket.getOutputStream();
	            DataOutputStream doc = new DataOutputStream(netOut);
	            DataInputStream in = new DataInputStream(socket.getInputStream());
	            //向服务器端第二次发送字符串 
	            doc.writeUTF("list");
	            String res = in.readUTF();
	            System.out.println(res);
	            doc.writeUTF("bye");
	            res = in.readUTF();
	            System.out.println(res);
	            doc.close();
	            in.close();
	        } catch (UnknownHostException e) {
	            e.printStackTrace();
	        } catch (IOException e) {
	            e.printStackTrace();
	        } {
	            if (socket != null) {
	                try {
	                    socket.close();
	                } catch (IOException e) {
	                }
	            }
	        }
	    }
	}