JavaSocket多线程编程、通信模型及socket协议详解

1. 什么是TCP/IP、UDP&＃xff1f;
2. Socket在哪里呢&＃xff1f;
3. Socket是什么呢&＃xff1f;
4. 你会使用它们吗&＃xff1f;
5. 深入补充&＃xff1a;socket通信协议&＃xff1a;

1,什么是TCP/IP、UDP&＃xff1f;

TCP/IP&＃xff08;Transmission Control Protocol/Internet Protocol&＃xff09;即传输控制协议/网间协议&＃xff0c;是一个工业标准的协议集&＃xff0c;它是为广域网&＃xff08;WANs&＃xff09;设计的。
UDP&＃xff08;User Data Protocol&＃xff0c;用户数据报协议&＃xff09;是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这里有一张图&＃xff0c;表明了这些协议的关系。



图1

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。

2,Socket在哪里呢&＃xff1f;
在图1中&＃xff0c;我们没有看到Socket的影子&＃xff0c;那么它到底在哪里呢&＃xff1f;还是用图来说话&＃xff0c;一目了然。
图2

原来Socket在这里。

3,Socket是什么呢&＃xff1f;
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层&＃xff0c;它是一组接口。在设计模式中&＃xff0c;Socket其实就是一个门面模式&＃xff0c;它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面&＃xff0c;对用户来说&＃xff0c;一组简单的接口就是全部&＃xff0c;让Socket去组织数据&＃xff0c;以符合指定的协议。

4,你会使用它们吗&＃xff1f;
前人已经给我们做了好多的事了&＃xff0c;网络间的通信也就简单了许多&＃xff0c;但毕竟还是有挺多工作要做的。以前听到Socket编程&＃xff0c;觉得它是比较高深的编程知识&＃xff0c;但是只要弄清Socket编程的工作原理&＃xff0c;神秘的面纱也就揭开了。
一个生活中的场景。你要打电话给一个朋友&＃xff0c;先拨号&＃xff0c;朋友听到电话铃声后提起电话&＃xff0c;这时你和你的朋友就建立起了连接&＃xff0c;就可以讲话了。等交流结束&＃xff0c;挂断电话结束此次交谈。生活中的场景就解释了这工作原理&＃xff0c;也许TCP/IP协议族就是诞生于生活中&＃xff0c;这也不一定。

图3

先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket&＃xff0c;然后与端口绑定(bind)&＃xff0c;对端口进行监听(listen)&＃xff0c;调用accept阻塞&＃xff0c;等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket&＃xff0c;然后连接服务器(connect)&＃xff0c;如果连接成功&＃xff0c;这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求&＃xff0c;服务器端接收请求并处理请求&＃xff0c;然后把回应数据发送给客户端&＃xff0c;客户端读取数据&＃xff0c;最后关闭连接&＃xff0c;一次交互结束。

　　 重要的Socket API&＃xff1a;

　　 java.net.Socket继承于java.lang.Object&＃xff0c;有八个构造器&＃xff0c;其方法并不多&＃xff0c;下面介绍使用最频繁的三个方法&＃xff0c;其它方法大家可以见JDK-1.3文档。

　　 . Accept方法用于产生"阻塞"&＃xff0c;直到接受到一个连接&＃xff0c;并且返回一个客户端的Socket对象实例。"阻塞"是一个术语&＃xff0c;它使程序运行暂时"停留"在这个地方&＃xff0c;直到一个会话产生&＃xff0c;然后程序继续&＃xff1b;通常"阻塞"是由循环产生的。

　　 . getInputStream方法获得网络连接输入&＃xff0c;同时返回一个IutputStream对象实例&＃xff0c;。

　　 . getOutputStream方法连接的另一端将得到输入&＃xff0c;同时返回一个OutputStream对象实例。

　　 注意&＃xff1a;其中getInputStream和getOutputStream方法均会产生一个IOException&＃xff0c;它必须被捕获&＃xff0c;因为它们返回的流对象&＃xff0c;通常都会被另一个流对象使用。

5,深入补充&＃xff1a;socket通信协议&＃xff1a;

你或许会有这样的疑问&＃xff1a;如果一个socket创建后并与80端口绑定后&＃xff0c;是否就意味着该socket占用了80端口呢&＃xff1f;如果是这样的&＃xff0c;那么当其accept一个请求后&＃xff0c;生成的新的socket到底使用的是什么端口呢&＃xff08;我一直以为系统会默认给其分配一个空闲的端口号&＃xff09;&＃xff1f;如果是一个空闲的端口&＃xff0c;那一定不是80端口了&＃xff0c;于是以后的TCP数据包的目标端口就不是80了--防火墙一定会阻止其通过的&＃xff01;实际上&＃xff0c;我们可以看到&＃xff0c;防火墙并没有阻止这样的连接&＃xff0c;而且这是最常见的连接请求和处理方式。我的不解就是&＃xff0c;为什么防火墙没有阻止这样的连接&＃xff1f;它是如何判定那条连接是因为connet80端口而生成的&＃xff1f;是不是TCP数据包里有什么特别的标志&＃xff1f;或者防火墙记住了什么东西&＃xff1f;

我们知道TCP和UDP&＃xff0c;前者可以保证数据的正确和可靠性&＃xff0c;后者则允许数据丢失。TCP/IP的协议栈的原理&＃xff1a;在TCP和UDP同属于传输层&＃xff0c;共同架设在IP层&＃xff08;网络层&＃xff09;之上。而IP层主要负责的是在节点之间&＃xff08;End to End&＃xff09;的数据包传送&＃xff0c;这里的节点是一台网络设备&＃xff0c;比如计算机。因为IP层只负责把数据送到节点&＃xff0c;而不能区分上面的不同应用&＃xff0c;所以TCP和UDP协议在其基础上加入了端口的信息&＃xff0c;端口于是标识的是一个节点上的一个应用。除了增加端口信息&＃xff0c;UPD协议基本就没有对IP层的数据进行任何的处理了。而TCP协议还加入了更加复杂的传输控制&＃xff0c;比如滑动的数据发送窗口&＃xff08;Slice Window&＃xff09;&＃xff0c;以及接收确认和重发机制&＃xff0c;以达到数据的可靠传送。不管应用层看到的是怎样一个稳定的TCP数据流&＃xff0c;下面传送的都是一个个的IP数据包&＃xff0c;需要由TCP协议来进行数据重组。
所以&＃xff0c;我有理由怀疑&＃xff0c;防火墙并没有足够的信息判断TCP数据包的更多信息&＃xff0c;除了IP地址和端口号。而且&＃xff0c;我们也看到&＃xff0c;所谓的端口&＃xff0c;是为了区分不同的应用的&＃xff0c;以在不同的IP包来到的时候能够正确转发。
TCP/IP只是一个协议栈&＃xff0c;就像操作系统的运行机制一样&＃xff0c;必须要具体实现&＃xff0c;同时还要提供对外的操作接口。就像操作系统会提供标准的编程接口&＃xff0c;比如Win32编程接口一样&＃xff0c;TCP/IP也必须对外提供编程接口&＃xff0c;这就是Socket编程接口--原来是这么回事啊&＃xff01;
在Socket编程接口里&＃xff0c;设计者提出了一个很重要的概念&＃xff0c;那就是socket。这个socket跟文件句柄很相似&＃xff0c;实际上在BSD系统里就是跟文件句柄一样存放在一样的进程句柄表里。这个socket其实是一个序号&＃xff0c;表示其在句柄表中的位置。这一点&＃xff0c;我们已经见过很多了&＃xff0c;比如文件句柄&＃xff0c;窗口句柄等等。这些句柄&＃xff0c;其实是代表了系统中的某些特定的对象&＃xff0c;用于在各种函数中作为参数传入&＃xff0c;以对特定的对象进行操作--这其实是C语言的问题&＃xff0c;在C&＃43;&＃43;语言里&＃xff0c;这个句柄其实就是this指针&＃xff0c;实际就是对象指针啦。
现在我们知道&＃xff0c;socket跟TCP/IP并没有必然的联系。Socket编程接口在设计的时候&＃xff0c;就希望也能适应其他的网络协议。所以&＃xff0c;socket的出现只是可以更方便的使用TCP/IP协议栈而已&＃xff0c;其对TCP/IP进行了抽象&＃xff0c;形成了几个最基本的函数接口。比如create&＃xff0c;listen&＃xff0c;accept&＃xff0c;connect&＃xff0c;read和write等等。
现在我们明白&＃xff0c;如果一个程序创建了一个socket&＃xff0c;并让其监听80端口&＃xff0c;其实是向TCP/IP协议栈声明了其对80端口的占有。以后&＃xff0c;所有目标是80端口的TCP数据包都会转发给该程序&＃xff08;这里的程序&＃xff0c;因为使用的是Socket编程接口&＃xff0c;所以首先由Socket层来处理&＃xff09;。所谓accept函数&＃xff0c;其实抽象的是TCP的连接建立过程。accept函数返回的新socket其实指代的是本次创建的连接&＃xff0c;而一个连接是包括两部分信息的&＃xff0c;一个是源IP和源端口&＃xff0c;另一个是宿IP和宿端口。所以&＃xff0c;accept可以产生多个不同的socket&＃xff0c;而这些socket里包含的宿IP和宿端口是不变的&＃xff0c;变化的只是源IP和源端口。这样的话&＃xff0c;这些socket宿端口就可以都是80&＃xff0c;而Socket层还是能根据源/宿对来准确地分辨出IP包和socket的归属关系&＃xff0c;从而完成对TCP/IP协议的操作封装&＃xff01;而同时&＃xff0c;放火墙的对IP包的处理规则也是清晰明了&＃xff0c;不存在前面设想的种种复杂的情形。
明白socket只是对TCP/IP协议栈操作的抽象&＃xff0c;而不是简单的映射关系&＃xff0c;这很重要&＃xff01;