Java TCP/UDP socket 编程流程总结

    最近正好学习了一点用java socket编程的东西。感觉整体的流程虽然不是很繁琐，但是也值得好好总结一下。

Socket

    Socket可以说是一种针对网络的抽象，应用通过它可以来针对网络读写数据。就像通过一个文件的file handler就可以都写数据到存储设备上一样。根据TCP协议和UDP协议的不同，在网络编程方面就有面向两个协议的不同socket，一个是面向字节流的一个是面向报文的。

     对socket的本身组成倒是比较好理解。既然是应用通过socket通信，肯定就有一个服务器端和一个客户端。所以它必然就包含有一个对应的IP地址。另外，在这个地址上server要提供一系列的服务，于是就需要有一系列对应的窗口来提供服务。所以就有一个对应的端口号(Port)。端口号是一个16位的二进制数字，那么范围就是从（0-65535）。IP地址加端口号基本上就构成了socket。下面这幅图可以描绘出socket和整个TCP/IP之间的关系：

 

TCP

    TCP主要是面向连接的协议，它包含有建立和拆除连接，保证数据流的顺序和正确性等功能。每次对TCP中间的数据操作相当于对一个数据流进行访问。它最典型的特征就是那三次握手的建立连接过程。TCP的连接建立和撤销过程如下图：

 

Server端

Server端所要做的事情主要是建立一个通信的端点，然后等待客户端发送的请求。典型的处理步骤如下：

1. 构建一个ServerSocket实例，指定本地的端口。这个socket就是用来监听指定端口的连接请求的。

2.重复如下几个步骤：

a. 调用socket的accept()方法来获得下面客户端的连接请求。通过accept()方法返回的socket实例，建立了一个和客户端的新连接。

b.通过这个返回的socket实例获取InputStream和OutputStream,可以通过这两个stream来分别读和写数据。

c.结束的时候调用socket实例的close()方法关闭socket连接。

 

这个流程的典型示例代码如下：

//1. 构造ServerSocket实例，指定服务端口。
ServerSocket servSock = new ServerSocket(servPort);


while(true)
{
	   // 2.调用accept方法，建立和客户端的连接
           Socket clntSock = servSock.accept();
           SocketAddress clientAddress =    
                clntSock.getRemoteSocketAddress();
           System.out.println("Handling client at " + clientAddress);

	    // 3. 获取连接的InputStream,OutputStream来进行数据读写
            InputStream in = clntSock.getInputStream();
            OutputStream out = clntSock.getOutputStream();

            while((recvMsgSize = in.read(receiveBuf)) != -1)
            {
                out.write(receiveBuf, 0, recvMsgSize);
            }   
	    // 4.操作结束，关闭socket.
            clntSock.close();
}  

 

Client端

客户端的请求过程稍微有点不一样：

1.构建Socket实例，通过指定的远程服务器地址和端口来建立连接。

2.通过Socket实例包含的InputStream和OutputStream来进行数据的读写。

3.操作结束后调用socket实例的close方法，关闭。

示例代码如下；

// 1.根据指定的server地址和端口，建立socket连接。
Socket socket = new Socket(server, servPort);

// 2. 根据socket实例获取InputStream, OutputStream进行数据读写。
InputStream in = socket.getInputStream();
OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write(data);

//3.操作结束，关闭socket.
socket.close();

 

 

UDP

UDP和TCP有两个典型的区别，一个就是它不需要建立连接，另外就是它在每次收发的报文都保留了消息的边界。

server端

因为UDP协议不需要建立连接，它的过程如下：

1. 构造DatagramSocket实例，指定本地端口。

2. 通过DatagramSocket实例的receive方法接收DatagramPacket.DatagramPacket中间就包含了通信的内容。

3. 通过DatagramSocket的send和receive方法来收和发DatagramPacket.

典型的交互流程代码如下：

 

// 1. 构建DatagramSocket实例，指定本地端口。
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(servPort);

// 2. 构建需要收发的DatagramPacket报文
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[ECHOMAX], ECHOMAX);

while(true)
{
	// 3. 收报文
	socket.receive(packet);
	System.out.println("Handling client at " + packet.getAddress().getHostAddress()
	    + " on port " + packet.getPort());
	// 4. 发报文
	socket.send(packet);
	packet.setLength(ECHOMAX);
}

 

 

client端

UDP客户端的步骤也比较简单，主要包括下面3步：

1. 构造DatagramSocket实例。

2.通过DatagramSocket实例的send和receive方法发送DatagramPacket报文。

3.结束后，调用DatagramSocket的close方法关闭。

因为和TCP不同，UDP发送报文的时候可以在同一个本地端口随意发送给不同的服务器，一般不需要在UDP的DatagramSocket的构造函数中指定目的服务器的地址。

另外，UDP客户端还有一个重要的不同就是，TCP客户端发送echo连接消息之后会在调用read方法的时候进入阻塞状态，而UDP这样却不行。因为UDP中间是可以允许报文丢失的。如果报文丢失了，进程一直在阻塞或者挂起的状态，则进程会永远没法往下走了。所以会一般设置一个setSoTimeout方法，指定在多久的时间内没有收到报文就放弃。也可以通过指定一个数字，循环指定的次数来读取报文，读到就返回，否则就放弃。

 

一个典型的UDP Client代码示例如下：

// 1. 构造UDP DatagramSocket对象
DatagramSocket socket = new DatagramSocket();

// 2。指定timeout时间，防止进入无限等待状态
socket.setSoTimeout(TIMEOUT);

// 3. 构造收发的报文对象
DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(bytesToSend,
    bytesToSend.length, serverAddress, servPort);
DatagramPacket receivePacket =
    new DatagramPacket(new byte[bytesToSend.length], bytesToSend.length);

// 4.指定尝试的次数
int tries = 0;
boolean receivedResponse = false;
 do
{
	socket.send(sendPacket);
	try
	{
		socket.receive(receivePacket);
 
		if(!receivePacket.getAddress().equals(serverAddress))
		{
			throw new IOException("Received packet from an unknown source");
		}
		receivedResponse = true;
	}
	catch(InterruptedIOException e)
	{
		tries += 1;
		System.out.println("Timed out, " + (MAXTRIES - tries) + "");
	}
}while((!receivedResponse) && (tries < MAXTRIES));

// 根据是否接收到报文进行反馈
if(receivedResponse)
{
	System.out.println("Received: " + new String(receivePacket.getData()));
}
else
{
	System.out.println("No response -- giving up.");
}

// 5. 关闭socket
socket.close();

总结

TCP的server和client之间通信就好比两个人打电话，需要互相知道对方的电话号码，然后开始对话。所以在两者的连接过程中间需要指定端口和地址。

UDP的server和client之间的通信就像两个人互相发信。我只需要知道对方的地址，然后就发信过去。对方是否收到我不知道，也不需要专门对口令似的来建立连接。

这些示例其实只是一个最简单的，单线程，也只能一次处理单个请求的情况。在实际应用中一般会应用到多线程和一些处理高并发的策略，比如基于事件驱动的reactor模式等。可以在后续的文章中深入讨论。

参考资料

1. TCP/IP Sockets in Java

2.  TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols (2nd Edition)