Příklady Java Networking

Jednoduchý příklad spojově orientované komunikace a metody třídy ServerSocket

Základní komponenty TCP komunikace

Příklad ukazuje základní kroky nutné při vytváření TCP spojení. Nezbytné komponenty pro jakoukoliv komunikaci jsou:

Komunikační protokol, např. TCP
Aplikační komunikační protokol
Program klienta
Program serveru

Pro komunikace pomocí TCP jsou nutné následující kroky:

V programu serveru vytvoření socketu ServerSocket a čekání na navázání spojení od klienta v metodě ServerSocket.accept
V programu klient vytvoření socketu Socket s navázáním spojení se vzdáleným serverem.
Po akceptování spojení je vytvořen obousměrný komunikační kanál, použitelný pro komunikaci na aplikační úrovni pomocí aplikačního protokolu.

V tomto případě je aplikační komunikační protokol velmi jednoduchý.

Klient pošle serveru řetězec „Hello, Server“
Server odpoví řetězcem „You have connected to the Very Simple Server.“
Poté klient i server skončí.

Implementace TCP klienta

Při implementaci TCP klienta musíme provézt následující kroky:

Vytvořit socket pro komunikaci ze serverem na specifickém portu
Vytvořit InputStream, v našem případě typu BufferedReader pro příjem odpovědí od serveru
Vytvořit OutputStream, v našem případě typu PrintWriter pro posílání zpráv do serveru
Zapsat do výstupního streamu
Číst ze vstupního streamu
Před ukončením klienta uzavřít InputStream, OutputStream a socket.

Jednoduchý program klienta (TcpClient.java) může vypadat následovně.

Implementace TCP serveru

Při implementaci TCP serveru musíme provézt následující kroky:

Vytvořit socket serveru (ServerSocket) aby provedl listen a čekat na navázání spojení vyvoláním metody accept()
Vytvořit InputStream, v našem případě typu BufferedReader() pro příjem odpovědí od serveru
Vytvořit OutputStream, v našem případě typu PrintWriter() pro posílání zpráv do serveru
Číst ze vstupního streamu
Zapsat do výstupního streamu
Před ukončením serveru uzavřít InputStream(), OutputStream() a socket.

Jednoduchý program serveru (TcpServer.java) může vypadat následovně.

Metody třídy SocketServer

Třída ServerSocket implementuje socket TCP serveru. Obsahuje tři konstruktory, které specifikují

port, na kterém server naslouchá
volitelně - maximální délku fronty vstupních požadavků
volitelně - internetovou adresu.

Zadání internetové adresy dovoluje vytvářet multihomed hosts, tj. počítače s přiřazenými dvěma a více internetovými adresami, aby se omezil počet spojení na specifickém rozhraní.

ServerSocket obsahuje následující metody:

accept() způsobí, že socket serveru bude naslouchat a čekat na příchod požadavku navázání spojení. Po navázání spojení vrací metoda accept() instanci objektu třídy Socket. Tento objekt je pak použit pro zajištění služby pro jednoho klienta.
getInetAddress() vrací adresu hostitelského počítače se kterým je socket spojen.
getLocalPort() vrací číslo portu, na kterém server naslouchá.
toString() vrací adresu a číslo portu v podobě vhodné k tisku.
getSoTimeout() a setSoTimeout() nastavuje hodnotu parametru SO_TIMEOUT.
close() uzavírá socket serveru.
setSocketFactory(), statická metoda, je použita pro změnu implicitního nastavení parametrů ServerSocket.
implAccept() je použita podtřídou ServerSocket k přepsání metody accept().

Následující aplikace ReverseServerApp.java je jednoduchý server, který naslouchá na portu 1234. Po navázání spojení přečte jeden řádek textu, změní pořadí znaků na opačné a takto upravenou řádku textu pošle zpět klientovi. Spusťte nejprve server

> java ReverseServerApp

a pak klienta, např. PortTalkApp

>java PortTalkApp localhost 1234

Metody třídy socket

Třída socket implementuje klientské sockety. Tyto sockety jsou určeny pro aplikace, komunikující se servery pomocí protokolu TCP.

Metody třídy socket se používají pro přístup k I/O streamům a parametrům spojení které jsou propojeny se spojeným socketem. Mezi tyto metody patří:

getInetAddress() a get|port(), které dovolují získat IP adresu a port vzdáleného počítače.
getLocalPort() vrací číslo lokálního portu, spojeného se socketem
getLocalAddress() vrací lokální IP adresu počítače
getInputStream() a getOutputStream() jsou použity pro přístup k vstupnímu a výstupnímu streamu spojenému se socketem.
close() se používá pro uzavření socketu.
getSoLinger() setSoLinger() se používají pro manipulaci s parametrem SO_LINGER, který určuje, jak dlouho bude socket otevřen po vyvolání metody close() a jak dlouho po uzavření budou moci být přenášena data.
getSoTimeout() a setSoTimeout() se používají pro manipulaci s parametrem SO_TIMEOUT, který určuje, jak dlouho bude blokována operace read() nad socketem. Nebo jinak za jak dlouho nastane timeout, který odblokuje operaci read().
getTcpNoDelay() a setTcpNoDelay() se používají pro manipulaci s parametrem TCP_NODELAY, který specifikuje, bude-li Nagleův algoritmus, určující způsob manipulace s daty v bufferech TCP spojení, zapnut nebo vypnut. Je-li TCP_NODELAY true, je zakázán.
setSocketImplFactory() je použit k přepnutí z implicitní realizace Java socketu na uživatelskou implementaci socketu.
toString() vrací znakovou reprezentaci socketu.

Následující program PortTalkApp.java je určen ke komunikaci se vzdáleným počítačem. Dovoluje vysílat řádky textu, přijímat řádky textu a ukončovat spojení.

Modifikace serveru i klienta umožňující výměnu více zpráv během jednoho spojení.

Abychom mohli přenést během jednoho spojení více zpráv, je třeba definovat modifikovaný aplikační komunikační protokol, který by to dovoloval. Např.:

Server:

Po vytvoření spojení pošle server úvodní zprávu klientovi.
Server pak čeká na odpověď.
Po obdržení odpovědi odpoví zprávou OK. Je-li odpovědí zpráva Server Exit, server ukončí spojení. Jinak se vrací k předchozímu kroku a čeká na další zprávu od klienta.

Klient:

Po úspěšném navázání spojení zobrazí klient na displeji zprávu, kterou obdržel od serveru.
Klient přečte jeden řádek z displeje a pošle jej serveru. Pak klient čeká na zprávu od serveru, přečte ji a zobrazí na obrazovku.
Vstup z klávesnice je kontrolován. Pokud je vstupní řetězec „Server Exit“ nebo je spojení ukončeno, klient končí. Jinak se vrací k předchozímu kroku.

Realizaci serveru představuje program TcpServer1.java a program klienta je uložen v souboru TcpClient1.java.

Spouštění programů na počítačích sítě

Pokud známe IP adresu nebo jméno serveru, můžeme s ním komunikovat námi vytvořenými klienty. Předložený program (InetExample.java) slouží k získání detailnějších informací o vzdáleném hostitelském systému.

Upravený klient (TcpClient2.java) umožňuje komunikovat se vzdáleným serverem prostřednictvím počítačové sítě.

Podpora více klientů

Abychom mohli podporovat více klientů, musíme pozměnit program serveru. Program klientů zůstává stejný. Po inicializaci serveru obdržíme ServerSocket a čekáme na navázání spojení klientem. Jakmile je spojení od klienta akceptováno, použijeme vlákno ke zpracování navázaného spojení. Server poté opět čeká na požadavek nového spojení. Klienti mohou poslat dva příkazy serveru. „Client Exit“ znamená ukončení práce klienta, „Server Exit“ znamená požadavek ukončení běhu serveru. Příklad serveru je uveden v souboru TcpServer3.java.

Datagramové služby

Datagramové služby jsou podporovány v balíku java.net dvěma třídami, DatagramSocket a DatagramPacket. DatagramSocket je interface přes který je DatagramPacket přenášen. DatagramPacket je jednoduše IP specifický wrapper pro blok dat.

Třída DatagramSocket představuje interface pro UDP protokol. Tato třída je schopna posílat a přijímat DatagramPacket přes UDP protokol. Nejčastěji požívané metody třídy DatagramSocket jsou:

DatagramSocket() - vytvoření socketu a specifikace použitého portu
receive() - příjem DatagramPacketu ze vzdáleného počítače
send() -vyslání DatagramPacketu do vzdáleného počítače
close() -uvolnění lokálních komunikačních prostředků a socketu
getLocalPort() -vrací číslo lokálního portu používaného DatagramSocket.

Je třeba si uvědomit, že DatagramSocket jsou dva. Jeden pro příjem DatagramPackets, u kterého se specifikuje číslo lokálního portu, a jeden pro vysílání, kterému je číslo lokálního portu přiděleno systémem jako dočasné.

DatagramSocket reprezentuje datagram, přenášený prostřednictvím DatagramSocket. Nejčastěji používané metody třídy DatagramPacket jsou:

DatagramPacket() - konstruktor, který má dva formáty, jeden pro odesílání a druhý pro příjem paketů. Při vysílání je třeba specifikovat vzdálenou adresu, port, datový buffer a délku dat. Pro příjem je třeba uvézt adresu bufferu a maximální délku.
getAddress() - je metoda, která dovoluje získat InetAddress počítače, který poslal DatagramPacket, nebo InetAddress počítače, kterému je paket adresován.
getData() - je metoda, která dovoluje přímý přístup k binárním datům v DatagramPacket.
getLength() - je metoda, dovolující určit délku dat, uloženou v DatagramPacket() bez nutnosti odkazovat se na datový blok
getPort() - je metoda, která vrací číslo vzdáleného portu na serveru, který poslal paket, nebo číslo lokálního portu odkud bude paket odesílán

Datagramy je možné přenášet i s použitím třídy Socket. Musí se ale použít konstruktor Socket(InetAddress address, int port, Boolean useStream) a nastavit useStream na false.

Následující příklad slouží k testování obsazenosti UDP portů lokálního počítače.

Posílání a příjem UDP datagramů

Nejdříve se musí vytvořit DatagramPacket(), pak se vytvoří objekt DatagramSocket(), který se odešle metodou send().

Při příjmu se nejprve vytvoří objekt DatagramSocket nad daným portem a pošle se mu prázdný objekt DatagramPacket motodou DatagramSocket.receive(). Volající vlákno je blokováno dokud není datagram přijat. Pro zjištění adresy a portu volajícího lze použít metodu getPort() a getAddress(). Metoda getData() přenese data a metoda getLength() slouží k určení, jak jsou data dlouhá. Jsou-li přijímaná data delší než je velikost místa rezervovaného v bufferu, jsou data zkrácena na délku bufferu.

Jednoduchý datagramový server má následující strukturu:

Vytvoří DatagramPacket pro příjem dat s parametry adresa bufferu a maximální délka.
Vytvoří DatagramSocket pro naslouchání
Přijme paket od klienta

Toto je příklad serveru pro datagramovou komunikaci.

Jednoduchý datagramový klient má následující strukturu:

Určení cílové IP adresy
Vytvoření objektu DatagramSocket s cílovou adresou, portem a daty
Vytvoření objektu DatagramSocket pro odeslání paketu
Odeslání DatagramPacket přes DatagramSocket.

Toto je příklad klienta pro datagramovou komunikaci, který spolupracuje s výše uvedeným serverem.