利用Java实现网络通信以及四层模型

计算机通过TCP/UDP协议在网络上通信是建立在以下四层模型之上的：

　　当我们编写JAVA应用程序时，主要是在第四层即应用层工作。一般说来，不必关心TCP/UDP层，这是因为java.net包已提供了系统无关的底层实现。然而，理解TCP和UDP对于决定选择使用哪种java类，还是十分必要的。
　　TCP协议是以连接为基础的协议，通信前，首先要建立连接，然后才能通信。因此，能保证同步、准确地进行通信。如果应用程序需要可靠的点对点通信，一般采用TCP这种协议。比如：HTTP，ftp,telnet等应用程序，确保其可靠性对于程序运行是非常关键的。另一方面，有的应用程序对通信的要求并不一定要求如此严格。比如ping命令。我们还可以考虑这样一个例子：服务器提供一个时钟服务，它定时发送时间数据；客户端不断提取时间数据；如果对这样一个应用程序，我们也建立可靠的连接，那么，如果一个数据包丢失，客户请求重发该包，重发回的数据已失去意义了。因此，降低了该服务程序的效率和适用性。
　　最后，我们阐述以下另一个较重要的概念：端口。我们知道，数据通过网络到达一台主机(或准确的说是主机的网卡)是通过IP地址实现的。但当该主机运行多个程序时如何识别数据是属于哪个程序的呢?这就是端口。一个端口只能绑定一个应用程序。通过TCP/UDP通信的应用程序必须知道对方的IP地址和端口号才能通信。端口号可取从0－65535，其中，0－1023为保留端口，提供给众所周知的一些服务。下图说明了端口的使用。

　　下面，我们具体分析两个java程序，加深对上面概念的理解。

一、 socket和TCP

　　下面列出服务程序和客户程序的源代码。具体分析见代码中的注释。
　　该程序只能建立单一的一对连接，但根据其原理，可以编写出多线程的多对连接的复杂的网络程序。该应用的客户端程序是一个独立的应用程序，但其完全可以通过Applet来实现相同的功能。
　　笔者在IE4.0的环境下，通过关闭一些安全选项实现了浏览器内的Applet与服务器程序的轻松通讯。然而，在IE5.0的环境中，情况发生了变化。IE5.0的安全选项与IE4.0有一定区别。无论如何设置，都无法实现在IE4.0中的效果，显示出了”xxx.xxx.xxx.xxx:4444 can not access”这样的出错信息。通过分析，我认为，这可能是IE5.0对网络安全性的考虑加强的缘故。通过分析，我认为applet程序只应与其所在服务器上的应用程序通讯，且该服务器应该是WEB服务器。于是，我把本应用程序的服务器程序放在WEB SERVER上运行，结果获得了成功。我使用的环境是，WEB SERVER：IIS (Option pack 3)；MS VJ＋＋6.0。

//下面KKState类实现一个有趣的对话过程的主要流程：用户启动服务程序，服务程序监听来自网络的连接请求，

//如果有客户连接，则建立连接。然后，在客户终端示″knock!knock!″，客户端如″Who′s there?″,

//则回答″Turnip″。客户输入″Turnip who?″,回答″Turnip the heat,it′s cold in here! Want another?(y/n)″。

//如果客户输入″y″,则进行下一轮新的对话，否则结束。关于对话的内容事先存储在两个字符串数组中。

 

import java.net.*;
import java.io.*;
class KKState{
　　private static final int WAITING=0;
　　private static final int SENTKNOCKKNOCK=1;
　　private static final int SENTCLUE=2;
　　private static final int ANOTHER=3;
　　private static final int NUMJOKES=5;
　　private int state=WAITING;
　　private int currentJoke=0;
　　private Stringclues={″Tumip″,″Little Old Lady″,″Atch″,″Who″;″Who″};
　　private Stringanswers={″Turnip the heat,it′s cold in here!″,
　　　　　″I didn′t know you could yodel!″,
　　　　　″Bless you!″,
　　　　　″Is there an owl in here?″,
　　　　　″Is there an echo in here?″};
String processInput(String theInput){
String theOutput=null;
if(state==WAITING){
　　 theOutput=″Knock!Knock!″;
　　 state=SENTKNOCKKNOCK;
　　} else if(state==SENTKNOCKKNOCK){
　　 if(theInput.equalsIgnoreCase(″Who′s there?″)){
　　　 theOutput=clues[currentJoke];
　　　 state=SENTCLUE;
　　} else{
　　　 theOutput=″You′re supposed to say\″Who′s there?\″!Try again.Knock!Knock!″;
　　 }
　　}else if(state==SENTCLUE){
　　　　　if(theInput.equalsIgnoreCase(clues[currentJoke]＋″who?″)){
　　　　　theOutput=answers[currentJoke]＋″Want another?(y/n)″;
　　　　　state=ANOTHER;
　　 } else{
　　　　 theOutput=″You′re supposed to say\″″＋clues[currentJoke]＋″who?\″″＋″!Try again.Knock!Knock!″;
　　 state=SENTKNOCKKNOCK;
　　 }
　　} else if(state==ANOTHER){
　　 if(theInput.equalsIgnoreCase(″y″)){
　　 　theOutput=″Knock!Knock!″;
　　 　if(currentJoke==(NUMJOKES－1))
　　 　　　　currentJoke=0
　　 　else
　　 　　currentJoke＋＋;
　　 　state=SENTKNOCKKNOCK;
　　 } else{
　　 　theOutput=″Bye.″;
　　 state=WAITING;
　　 }
　　}
　　return theOutput;
　}
}
//服务器程序
class KnockKnockServer{
public static void main(String［］args){
　　 ServerSocket serverSocket=null;
　　 try {
　　 　　　serverSocket=new ServerSocket(4444);// 创建服务器端socket
　　 }catch(IOException e){
　　 System.out.println(″Could not listen on port:″＋4444＋″,″＋e;
　　 System.exit(1);
　　 }
　　Socket clientSocket=null;
　　try{
　　clientSocket=serverSocket.accept();//监听申请连接到该socket的要求并建立连接
　　}catch(IOException e){
　　System.out.println(″Accept failed:″＋4444＋″,″＋e);
　　System.exit(1);
　　}
　　try{
　　//通过客户端socket,获取输入数据流对象，通过它可以读入客户端输入的信息
　　//通过客户端socket,获取输出数据流对象，通过它可以向客户端输入的信息
　　DataInputStream is=new DataInputStream(new BufferedInputStream(clientSocket.getInputStream()));
　　PrintStream os=new PrintStream(new BufferedOutputStream(clientSocket.getOutputStream(),1024),false);
　　//KKState类用于处理输入的会话信息，然后返回设定好的回答
　　KKState kks=new KKState():
　　String inputLine,outputLine;
　　outputLine=kks.processInput(null);
　　os.println(outputLine);//第一次运行，输入参数为null,kks返回：″Knock!Knock!″;然后向客户端写入。
　　0s.flush();
　　//如果客户端没有输入，readLine将阻塞；如果客户端关闭，readLine返回为null。
　　//在下面循环语句中，以读一行，再写一行的方式与客户交互。
　　while((inputLine=is.readLine())!=null){
　　outputLine=kks.processInput(inputLine);
　　　　　os.println(outputLine);
　　　　　os.flush();
　　　　　if(outputLine.equals(″Bye.″))break;
　　}
　　//以下完成清除工作。
　　os.close();
　　is.close();
　　clientSocket.close();
　　serverSocket.close();
　　} catch(IOException e){
　　e.printStackTrace();
　　}
}
}

 

//客户端程序
import java.io.＊;
import java.net.＊;
public class EchoTest{
　　public static void main(Stringargs){
　　Socket echoSocket=null;
　　DataOutputStream os－null;
　　DataInputsStream is=null;
　　DataInputStream stdIn=new DataInputStream(System.in);
　　try{ echoSocket=new Socket(″myHost″,4444);
　　　os=new DataOutputStream(echoSocket.getOutputStream());
　　　is=newDataInputStream(echoSocket.getInputStream());
　　} catch(UnknownHostException e){
　　System.err.println(″Don｀t know about host:myHost″);
　　} catch(IOException e){
　　System.err.println(″Couldn｀t get I/O for the connection to:myHost″);
　　}
　　if(echoSocket!=null ＆＆ os!=null＆＆ is!=null){
　　try{
　　 String userInput;
　　　 while((userInput=stdin.readLine())!
=null){
　　 os.writeBytes(userInput);
　　 os.writeByte(″\n′);
　　 System.out.println(″echo:″＋is.readLine()); }
　　 os.close();
　　 is.close();
　　 echoSocket.close();
　　 } catch (IOException e){
　　 　System.err.println(″I/O failed on the connection to:myHost″);
　　 }
　 }
}
}

 二、 UDP

　　采用UDP方式，和TCP有很大的不同。TCP必须由服务器端创建socket,然后由客户端建立socket向服务器端socket发出连接请求，接着服务器端创建一个与客户端socket对应的socket并通过该socket,获得输入输出流，这样，网络通讯变类似文件I/O的方式，而所有网络通讯的复杂性被socket机制所掩盖了(参见图2)；使用UDP的情况则简单一些，在通讯中，客户和服务端都只涉及了两个主要的类：DatagramSocket和DatagramPacket类。DatagramPacket类可以看为是信息的载体，必须为它建立数据缓冲区，从而容纳发送或接受的具体信息；DatagramSocket可以看成是DatagramPacket的发送或接受装置，发送一个Packet必须知道发送的主机地址和端口，接受则只需有一个Packet对象作为容器即可(参见图3)。

//本程序说明：首先服务器端生成DatagramSocket,监听某个端口，准备截获发往该端口的数据报。一旦客户端发送一针对服务器端机器和该端口的数据报，则服务器接收该数据报，从中取得数据报的发送地址和发送端口，并向该发送地址和端口发送一应答报文。报文内容为服务器端的一个文件one－liners.txt中的一行文本，如果，该文件不存在，则发送服务器端的当前时间。

//服务器端程序：
import java.io.＊;
import java.net.＊;
import java.util.＊;
//QuoteServer只是提供服务程序的一个入口，主要的程序流程包含在QuoteServer Thread中。
class QuoteServer{
　　 public static void main(Stringargs){
　　　new QuoteServerThread().start();
　　}
}
class QuoteServerThread extends Thread{
　　private DatagramSocket socket=null;//用于发送和接收数据报
　　private DataInputStream qfs=null; //用于读取one－liners.txt文件
　　QuoteServerThread(){
　　 super(″QuoteServer″);
　　 try{
　　 socket=new DatagramSocket();
　　 System.out.println(″QuoteServer listening on port:″＋socket.getLocalPort());//显示服务器端DatagramSocket的端口号(供客户端使用)
　　 } catch(java.net.SocketExceptione){
　　 System.err.println(″Could not create datagram socket.″);
　　 }
　　 this.openInputFile();
　　}
　　public void run(){
　　 if(socket==null)returnm;
　　 while(true){
　　 　try{
　　　　byte[]buf=new byte[256]; //建立内存缓冲区供DatagramPacket使用
　　　　DatagramPacket packet;
　　　　InetAddress address;
　　 int port;
　　 String dString=null;
　　 packet=new DatagramPacket(buf,256);
　　 socket.receive(packet); //接收发往该地址和端口的数据报
　　 address=packet.getAddress(); //获取数据报的源发送地址
　　 port=packet.getPort();获取数据报的源发送端口
　　 if(qfs==null)
　　 　dString=new Date().toString();
　　 else
　　  dString=getNextQuote();
　　 dString.getBytes(0,dString.length(),buf,0);
　　 packet=new DatagramPacket(buf,buf.length,address,port);
　　 socket.send(packet); //发回服务器端响应数据报
　　 } catch(IOExceptione){
　　 System.err.println(″IOException:″＋e);
　　 e.printStackTrace();
　　}
　}
}
protected void finalize(){
　　if(socket!=null){
　　 socket.close();
　　 socket=null;
　　 System.out.println(″Closing datagram socket.″);
　　}
}
private void openInputFile(){
　　try{
　　 qfs=new DataInputStream(new FileInputStream(″one－liners.txt″));
　　}catch(java.io.FileNotFoundException e){
　　 System.err.println(″Could not open quote file.Serving time instead.″)；
　}
}
private String getNextQuote(){
　　String returnValue－null;
　　try{
　　 if((returnValue=qfs.readiine())==null){
　　 qfs.close();
　　 this.openInputFile();
　　 returnValue=qfs.readLine(); //该文件应该至少有一行!
　　 }
　　}catch(IOException e){
　　 　returnValue=″IOException occurred in server.″;
　 }
　 return returnValue;
}
}

 

//客户端必须输入java QuoteClient主机名 端口号的形式来运行客户程序
import java.io＊;
impor tjava.net.＊;
impor tjava.util.＊;
class QuoteClient{
　　public static void main(Stringargs){
　　 int port;
　　 InetAddress address;
　　 DatagramSocket socket=null;
　　 DatagramPacket packet;
　　 bytesendBuf=new byte[256];
　　 if(args.length!=2){
　　 　　System.out.println(″Usage:java QuoteClient<hostname> <port＃>″);
　return;
}
try{
　　 socket=new DatagramSocket(); //建立DatagramSocket用于发送数据报
} catch(java.net.SocketException e){
　　System.err.println(″Could not create datagram socket.″);
}
if(socket!=null){
　　try{
　　 //发送数据
　　 por=Integer.parseInt(args[1];
　　 address=InetAddress.getByName(args[0]);
　　 packet=new DatagramPacket(sendBuf,256,address,port);
　　 socket.send(packet);
　　 //获得应答
　　 packet=new DatagramPacket(sendBuf,256);
　　 socket.receive(packet);
　　 String received=new String(packet.getData(),0);
　　 System.out.println(″Quote of the Moment:″＋received);
　　 socket.close();
　　}catch(IOException e){
　　 System.err.println(″IOException;″＋e);
　　 e.printStackTrace();
　　　}
　　}
　}
}