Основы программирования TCP-сокетов на Java

Клиент-серверная архитектура — наиболее распространенная структура приложений в Интернете. В этой архитектуре клиенты (т.е. персональные компьютеры, устройства Интернета вещей и т. д.) сначала запрашивают ресурсы с сервера. Затем сервер отправляет обратно соответствующие ответы на запросы клиентов. Чтобы это произошло, должен быть какой-то механизм, реализованный как на стороне клиента, так и на стороне сервера, который поддерживает эту сетевую транзакцию. Этот механизм называется коммуникацией посредством сокетов.

Почти каждое приложение, которое полагается на сетевые операции, такие как извлечение данных с удаленных серверов и загрузка файлов на сервер, широко использует сокеты “под капотом”. Несколько примеров таких приложений — браузеры, чат-приложения и одноранговые сетевые приложения.

В этой статье мы более подробно рассмотрим сокеты и простую клиент-серверную реализацию с использованием сокетов в Java.

Примечание: существует два типа сокетов: TCP и UDP. Поскольку большинство сетевых приложений используют TCP, здесь я буду говорить только о TCP-сокетах и их реализации.

Что такое сокет?

Сокет — это программная (логическая) конечная точка, устанавливающая двунаправленную коммуникацию между сервером и одной или несколькими клиентскими программами. Сокет — это нечто “программное”. Другими словами, сокет не существует на физическом уровне. Прикладное программное обеспечение определяет сокет так, чтобы он использовал порты на основном компьютере для его реализации. Это позволяет программистам комфортно работать с низкоуровневыми деталями сетевых коммуникаций, такими как порты, маршрутизация и т. д., внутри прикладного кода.

Как работают сокеты?

TCP-сокет устанавливает связь между клиентом и сервером в несколько этапов.

Блок-схема коммуникации TCP-сокета

Socket() — на сервере создается конечная точка для коммуникации.
Bind() — сокету присваивается уникальный номер и для него резервируется уникальная комбинации IP-адреса и порта.
Listen() — после создания сокета сервер ожидает подключения клиента.
Accept() — сервер получает запрос на подключение от клиентского сокета.
Connect() — клиент и сервер соединены друг с другом.
Send()/Recieve() — обмен данными между клиентом и сервером.
Close() — после обмена данными сервер и клиент разрывают соединение.

На каждой из перечисленных выше стадий коммуникации сокетов “под капотом» происходит много всего сложного. Однако этих знаний вполне достаточно для понимания и демонстрации того, как работает коммуникация посредством TCP-сокетов.

К настоящему времени мы уже достаточно знаем о TCP-сокетах. Давайте теперь посмотрим на них в действии.

Реализация коммуникации посредством TCP-сокетов в Java

Давайте посмотрим, как мы можем реализовать коммуникацию сокетов в Java. Мы сейчас напишем две Java-программы. Одной будет программа, запущенная на сервере, а другой — клиентская программа, которая будет взаимодействовать с сервером.

Реализация серверного сокета

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class SocketServer {
  
  public static final int SERVER_PORT = 50001;

  public static void main (String[] args){
    
    try {
      ServerSocket server = new ServerSocket(SERVER_PORT);
      Socket clientConn = server.accept();
      DataOutputStream serverOutput = new DataOutputStream(clientConn.getOutputStream());
      serverOutput.writeBytes("Java revisited\n");
      clientConn.close();
    }
    catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    
  }
  
}

В приведенной выше программе сервер открывает сокет с порта 50001 на серверной машине и ожидает клиента на server.accept(). После подключения клиента создается экземпляр выходного потока. Это может быть использовано для отправки данных с сервера на подключенный клиент. Именно это и делает serverOutput.writeBytes(). После отправки данных соединение с клиентом завершается.

Теперь давайте создадим клиент для взаимодействия с серверным сокетом, созданным выше.

Реализация клиентского сокета

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.Socket;

public class SocketClient {
  public static void main(String[] args){
    try {
      Socket clientSocket = new Socket ("localhost",50001);
      InputStream is = clientSocket.getInputStream();
      BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
      String receivedData = br.readLine();
      System.out.println("Received Data: "+receivedData);
    }
    catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

Показанная выше программа действует как клиент, создавая соединение с серверным сокетом. После подключения клиент получает отправленные сервером данные. Входной поток соединяется с буфером, используя BufferedReader для хранения полученных данных, так как мы не можем быть уверены, что данные будут использоваться сразу же после получения. Затем мы считываем данные из буфера и выводим их в консоль.

Запуск программ

Сначала запустите серверную Java-программу, а затем клиентскую Java-программу (потому что сервер уже должен работать для подключения клиента). Вы увидите Received data: Java Revisited в терминале, где работает клиентская программа. Вот что здесь произошло: серверная программа отправила данные клиенту по запросу, а клиентская программа вывела их на терминал.

В этой статье мы обсудили, что такое сокеты и Java-реализация связи TCP-сокетов.

Спасибо за чтение.

Перевод статьи Pavindu Lakshan: “Fundamentals of TCP Socket Programming in Java”

Поделиться статьей:

Вернуться к статьям