java socket学习笔记

java socket学习笔记（包括自己总结和转载）

1
socket概念

套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。
一个Socket是一对IP地址和端口。

Socket可以看成在两个程序进行通讯连接中的一个端点，一个程序将一段信息写入Socket中，该Socket将这段信息发送给另外一个Socket中，使这段信息能传送到其他程序中。

2
socket的作用

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP和UDP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了称为套接字(Socket)的接口，区分不同应用程序进程间的网络通信和连接。

3
socket的实现方式

3.1
socket的实现方式

生成套接字，主要有3个参数：通信的目的IP地址、使用的传输层协议(TCP或UDP)和使用的端口号。Socket原意是“插座”。通过将这3个参数结合起来，与一个“插座”Socket绑定，应用层就可以和传输层通过套接字接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。



Host A上的程序A将一段信息写入Socket中，Socket的内容被Host
A的网络管理软件访问，并将这段信息通过Host A的网络接口卡发送到Host B，Host B的网络接口卡接收到这段信息后，传送给Host B的网络管理软件，网络管理软件将这段信息保存在Host
B的Socket中，然后程序B才能在Socket中阅读这段信息。

3.2
Socket连接的实现原理

要通过互联网进行通信，至少需要一对套接字，一个运行于客户机端，称之为ClientSocket，另一个运行于服务器端，称之为serverSocket。

根据连接启动的方式以及本地套接字要连接的目标，套接字之间的连接过程可以分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

服务器监听：是服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态。

客户端请求：是指由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。

连接确认：是指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，它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，连接就建立好了。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。

3.3 Socket与TCP/IP的关系

创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接。

socket则是对TCP/IP协议的封装和应用（程序员层面上）。也可以说，TCP/IP协议是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输，而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。关于TCP/IP和HTTP协议的关系，网络有一段比较容易理解的介绍：

“我们在传输数据时，可以只使用（传输层）TCP/IP协议，但是那样的话，如果没有应用层，便无法识别数据内容，如果想要使传输的数据有意义，则必须使用到应用层协议，应用层协议有很多，比如HTTP、FTP、TELNET等，也可以自己定义应用层协议。WEB使用HTTP协议作应用层协议，以封装HTTP文本信息，然后使用TCP/IP做传输层协议将它发到网络上。”

我们平时说的最多的socket是什么呢，实际上socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口（API），通过Socket，我们才能使用TCP/IP协议。实际上，Socket跟TCP/IP协议没有必然的联系。Socket编程接口在设计的时候，就希望也能适应其他的网络协议。所以说，Socket的出现只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已，是对TCP/IP协议的抽象，从而形成了我们知道的一些最基本的函数接口，比如create、
listen、connect、accept、send、read和write等等。网络有一段关于socket和TCP/IP协议关系的说法比较容易理解：

“TCP/IP只是一个协议栈，就像操作系统的运行机制一样，必须要具体实现，同时还要提供对外的操作接口。这个就像操作系统会提供标准的编程接口，比如win32编程接口一样，TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口。”

实际上，传输层的TCP是基于网络层的IP协议的，而应用层的HTTP协议又是基于传输层的TCP协议的，而Socket本身不算是协议，就像上面所说，它只是提供了一个针对TCP或者UDP编程的接口。socket是对端口通信开发的工具,它要更底层一些.

3.4
Socket与HTTP的关系

由于通常情况下Socket连接就是TCP连接，因此Socket连接一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。但在实际网络应用中，客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点，例如路由器、网关、防火墙等，大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致
Socket 连接断连，因此需要通过轮询告诉网络，该连接处于活跃状态。

而HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立连接，而且需要客户端向服务器发出请求后，服务器端才能回复数据。

很多情况下，需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给客户端；若双方建立的是HTTP连接，则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端，因此，客户端定时向服务器端发送连接请求，不仅可以保持在线，同时也是在“询问”服务器是否有新的数据，如果有就将数据传给客户端。

http协议是应用层的协义

有个比较形象的描述：HTTP是轿车，提供了封装或者显示数据的具体形式；Socket是发动机，提供了网络通信的能力。

两个计算机之间的交流无非是两个端口之间的数据通信,具体的数据会以什么样的形式展现`是以不同的应用层协议来定义的`如HTTP`FTP`...

4
Socket代码实现方式

4.1
服务器端绑定端口

ServerSocket serverSocket=new ServerSocket(80);

如果运行时无法绑定到80端口，以上代码会抛出IOException，更确切地说，是抛出BindException，它是IOException的子类。BindException一般是由以下原因造成的：

◆端口已经被其他服务器进程占用；

◆在某些操作系统中，如果没有以超级用户的身份来运行服务器程序，那么操作系统不允许服务器绑定到1~1023之间的端口。

4.2
客户端发起连接请求

对于客户进程，如果它发出的连接请求被加入到服务器的队列中，就意味着客户与服务器的连接建立成功，客户进程从Socket构造方法中正常返回。（仅仅代表客户端与服务端连接成功，不代表双方通信链路完全建立）如果客户进程发出的连接请求被服务器拒绝，Socket构造方法就会抛出ConnectionException。

4.3
客户端与服务端通信链路正常的标志

Tips: 创建绑定端口的服务器进程后,当客户进程的 Socket构造方法返回成功, 表示客户进程的连接请求被加入到服务器进程的请求连接队列中.虽然客户端成功返回
Socket对象,但是还没跟服务器进程形成一条通信线路.
必须在服务器进程通过 ServerSocket的 accept()方法从请求连接队列中取出连接请求,并返回一个Socket对象后,服务器进程这个Socket对象才与客户端的
Socket对象形成一条通信线路.

5
TCP三次握手的过程

5.1
TCP三次握手及释计总体流程图

建立TCP需要三次握手才能建立，而断开连接则需要四次握手。整个过程如下图所示：

5.2
详细解释

ACK： TCP协议规定，只有ACK=1时有效，也规定连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1。（ACK为1表示确认号有效，为0表示报文中不包含确认信息，忽略确认号字段。）

SYN(SYNchronization)：在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1.因此,
SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。

seq是序号，ack是确认号，seq是数据包本身的序列号；ack是期望对方继续发送的那个数据包的序列号。SYN和ACK分别是图中标注的标志位。



首先由Client发出请求连接即 SYN=1 ACK=0 (请看头字段的介绍), TCP规定SYN=1时不能携带数据，但要消耗一个序号,因此声明自己的序号是
seq=x

然后 Server
进行回复确认，即 SYN=1 ACK=1 seq=y, ack=x+1,

再然后 Client
再进行一次确认，但不用SYN 了，这时即为 ACK=1, seq=x+1, ack=y+1.

然后连接建立，为什么要进行三次握手呢（两次确认）。



下面是释放连接的过程：



当客户A没有东西要发送时就要释放 A这边的连接，A会发送一个报文（没有数据），其中
FIN设置为1,
服务器B收到后会给应用程序一个信，这时A那边的连接已经关闭，即A不再发送信息（但仍可接收信息）。
A收到B的确认后进入等待状态，等待B请求释放连接， B数据发送完成后就向A请求连接释放，也是用FIN=1表示，并且用
ack = u+1(如图）， A收到后回复一个确认信息，并进入 TIME_WAIT
状态，等待 2MSL时间。
为什么要等待呢？
为了这种情况： B向A发送
FIN = 1 的释放连接请求，但这个报文丢失了， A没有接到不会发送确认信息， B超时会重传，这时A在
WAIT_TIME还能够接收到这个请求，这时再回复一个确认就行了。（A收到 FIN = 1的请求后
WAIT_TIME会重新记时）
另外服务器B存在一个保活状态，即如果A突然故障死机了，那B那边的连接资源什么时候能释放呢？ 就是保活时间到了后，B会发送探测信息，以决定是否释放连接。

6
SOCKET对应TCP三次握手过程

服务器socket与客户端socket建立连接的部分其实就是大名鼎鼎的三次握手