實驗05 TCP Socket.doc

一本實驗目的及要求：1 掌握TCP/IP體系結構中端口、套接字、TCP協(xié)議概念。理解什么是SAP、端口的范圍劃分、套接字的組成等概念，掌握TCP傳輸模式和netstat命令的用途；2 掌握TCP SOCKET的ServerSocket和Socket；學習為TCP服務的 Socket和ServerSocket類的使用，掌握TCP連接的方法，服務器接收客戶端連接請求的方法，創(chuàng)建輸入/輸出流的方法，傳輸數(shù)據(jù)的方法，以及關閉流和套接字，注意可能會出現(xiàn)的異常操作；3 理解進程和線程的概念，掌握TCP SOCKET技術中多線程技術，理解JAVA中的動態(tài)數(shù)組的內容。4 實驗報告內容應包括，本實驗的第三、四、五部分的答案，以及第六部分的程序后要求。二、基礎知識1. TCP協(xié)議TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層（Transport layer）通信協(xié)議。在簡化的計算機網(wǎng)絡OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，UDP是同一層內另一個重要的傳輸協(xié)議。TCP所提供服務的主要特點：面向連接的傳輸；端到端的通信；高可靠性，確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，不出現(xiàn)丟失或亂序；全雙工方式傳輸；采用字節(jié)流方式，即以字節(jié)為單位傳輸字節(jié)序列；緊急數(shù)據(jù)傳送功能TCP支持的服務：文件傳送File Transfer；遠程登錄Remote login；計算機郵件Mail；網(wǎng)絡文件系統(tǒng)(NFS)；遠程打印(Remote printing)；遠程執(zhí)行(Remote execution)；名字服務器(Name servers)；終端服務器(Terminal servers)。 2. 端口TCP/IP協(xié)議中提出了端口(port)的概念，用于標識網(wǎng)絡主機上通信的軟件進程。 端口實際上是一個抽象的軟件結構（包括一些數(shù)據(jù)結構和I/O緩沖區(qū)）。應用程序（即進程）通過系統(tǒng)調用與某端口建立關聯(lián)(binding)后，傳輸層傳給該端口的數(shù)據(jù)都被相應的應用進程所接收。端口又是在網(wǎng)絡體系結構中應用進程訪問傳輸服務的入口點SAP（Service Access Point服務訪問點）。在TCP/IP體系中，用于存儲端口號長度為16bit ，取值范圍065535，它用于存儲本地軟件進程，所以僅具有本地意義。通常，端口分為：熟知端口，取值范圍01023，為常用應用進程指定的固定值；一般端口，取值范圍102449151，供一般程序使用；動態(tài)端口：4915265535供某些默認服務使用，如表1所示。表1 常用進程和熟知端口echo7驗證2臺計算機連接有效性daytime13服務器當前時間文本描述ftp20/2121用于命令,20用戶數(shù)據(jù)telnet23遠程登錄smtp25郵件發(fā)送whois43網(wǎng)絡管理的目錄服務dns53域名解析tftp69小文件傳輸finger79主機用戶信息http80HTTPpop3110郵局協(xié)議nntp119網(wǎng)絡新聞傳輸協(xié)議, 發(fā)布Usenet新聞snmp161網(wǎng)絡管理協(xié)議rip520路由協(xié)議 3. 套接字套接字Socket原意是 “插座”，簡單的說就是參與通信兩方的一種約定，用套接字中的相關函數(shù)來完成通信過程。為了區(qū)分不同應用程序進程間的網(wǎng)絡通信和連接，主要使用3個參數(shù)：通信的目的IP地址、使用的傳輸層協(xié)議(TCP或UDP)和使用的端口號，通過將這3個參數(shù)結合起來，與一個Socket綁定，應用層就可以和傳輸層通過套接字接口，區(qū)分來自不同應用程序進程或網(wǎng)絡連接的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)服務。通常的表示方式為：SOCKET=（傳輸協(xié)議，IP，Port）。 4 . NetstatNetStat是DOS命令,是一個監(jiān)控TCP/IP網(wǎng)絡的非常有用的工具，它可以顯示路由表、實際的網(wǎng)絡連接以及每一個網(wǎng)絡接口設備的狀態(tài)信息.Netstat用于顯示與IP、TCP、UDP和ICMP協(xié)議相關的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一般用于檢驗本機各端口的網(wǎng)絡連接情況?？梢酝ㄟ^執(zhí)行Netstat /help獲得該應用程序選項的相關幫助。在Java語言中，實現(xiàn)TCP 套接字中有兩個基礎類，分別為：l Socket類: 建立一個客戶端標識l ServerSocket類: 建立一個服務器端標識 5. ServerSocket該類實現(xiàn)服務器socket，一個服務器socket等待網(wǎng)絡上的連接請求。通常操作都是基于這個請求，并且會返回一個結果給請求連接者，其類描述如圖2所示。圖2 ServerSocket類描述ServerSocket構造方法有：ServerSocket() 創(chuàng)建一個空的服務端socket；ServerSocket(intport) 在指定端口創(chuàng)建一個服務端socket，；ServerSocket(intport, intbacklog) 在指定端口創(chuàng)建一個服務端socket和日志；ServerSocket(intport, intbacklog, InetAddressbindAddr) 在指定端口和地址上創(chuàng)建一個服務端socket和日志。 6. Socket該類實現(xiàn)一個客戶端socket，這個socket表示在通信的兩臺設備之間的端點，其類描述如圖3所示。圖3 Socket類描述Socket構造方法有：Socket() 創(chuàng)建一個空的客戶端socket；Socket(InetAddressaddress, intport) 創(chuàng)建一個連接指定遠程地址和端口的客戶端socket；Socket(InetAddressaddress, intport, InetAddresslocalAddr, intlocalPort) 在本地指定地址和端口，創(chuàng)建一個連接指定遠程地址和端口的客戶端socket；Socket(Stringhost, intport) 創(chuàng)建一個連接指定主機名稱和端口的客戶端socket；Socket(Stringhost, intport, InetAddresslocalAddr, intlocalPort) 在本地指定地址和端口，創(chuàng)建一個連接指定遠程主機名稱和端口的客戶端socket?；竟ぷ髟?，如圖4所示。1 啟動服務器端ServerSocket，監(jiān)聽指定端口；2 啟動客戶端Socket，連接服務器端Socket；3 服務器端Accept確認連接，建立通信通道；4 建立輸入和輸出流，進行通信；5 通信完畢，關閉Socket連接。7. 多線程（Thread）每個正在系統(tǒng)上運行的程序都是一個進程。每個進程包含一到多個線程。進程也可能是整個程序或者是部分程序的動態(tài)執(zhí)行。線程是一組指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里獨立執(zhí)行。也可以把它理解為代碼運行的上下文。所以線程基本上是輕量級的進程，它負責在單個程序里執(zhí)行多任務。Java里面有2個方法實現(xiàn)多線程，不論哪種方法都需要覆蓋public void run()方法1 繼承 Thread類，比如class MyThread extends Thread public void run() / 這里寫上線程的內容 public static void main(String args) / 使用這個方法啟動一個線程 new MyThread().start(); 2 實現(xiàn) Runnable接口class MyThread implements Runnable public void run() / 這里寫上線程的內容 public static void main(String args) / 使用這個方法啟動一個線程 new Thread(new MyThread().start(); 一般鼓勵使用第二種方法，因為Java里面只允許單一繼承，但允許實現(xiàn)多個接口。第二個方法更加靈活。三類及方法：1. ServerSocket常用方法Socketaccept() 接受客戶端的連接請求；voidbind(SocketAddressendpoint) 綁定到指定的地址和端口；voidclose() 關閉該ServerSocket；InetAddressgetInetAddress() 獲得該ServerSocket的本地地址；intgetLocalPort() 獲得本地監(jiān)聽端口；intgetReceiveBufferSize() 獲得接收緩存尺寸；intgetSoTimeout() 獲得數(shù)據(jù)包超時時間；booleanisClosed()判斷ServerSocket是否關閉；voidsetReceiveBufferSize(intsize)設置接收緩存尺寸；voidsetSoTimeout(inttimeout) 以毫秒設置數(shù)據(jù)包超時時間；StringtoString() 將地址和端口作為字符串返回。2. Socket常用方法voidbind(SocketAddressbindpoint) 綁定socket在本地；voidclose() 關閉該socket；voidconnect(SocketAddressendpoint) 連接該socket到服務器上；voidconnect(SocketAddressendpoint, inttimeout) 連接該socket到服務器并設置超時時間；InetAddressgetInetAddress() 獲得該socket連接的地址；InputStreamgetInputStream() 獲得該 socket的輸入流；InetAddressgetLocalAddress() 獲得該socket的本地地址；intgetLocalPort()獲得該socket的本地端口；OutputStreamgetOutputStream()獲得該 socket的輸出流；intgetPort()獲得該 socket的遠端端口；intgetReceiveBufferSize() 獲得該Socket的接收緩存容量；intgetSendBufferSize()獲得該Socket的發(fā)送緩存容量；intgetSoTimeout() 獲得超時時間；booleanisClosed() 判斷該socket是否關閉；booleanisConnected() 判斷該socket是否連接；voidsetKeepAlive(booleanon) 設置該socket的連接狀態(tài)；voidsetReceiveBufferSize(intsize) 設置接收緩存容量；voidsetSendBufferSize(intsize) 設置發(fā)送緩存容量；voidsetSoTimeout(inttimeout) 設置毫秒級的超時時間；StringtoString() 將該socket轉換為字符串輸出。三、基礎概念填空1. TCP是（一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層（Transport layer）通信協(xié)議 ）， UDP是（ TCP/IP 參考模型中傳輸層的無連接協(xié)議 ，提供面向事務的、簡單的、不可靠數(shù)據(jù)傳送服務 ）。2. 端口是（網(wǎng)絡體系結構中應用層與傳輸層之間的通信協(xié)議接口 ），由（ 16 ）bit構成，表示范圍（ 065535 ），其代表了（ 存儲本地軟件）進程，且只具備本地意義。3. 套接字是（參與通信兩方的一種約定，用套接字中的相關函數(shù)來完成通信過程 ），其三個構成部分是（ 通信的目的IP地址 ）、（ 使用的傳輸層協(xié)議(TCP或UDP) ）和（使用的端口號 ）。4. NetStat是（DOS命令,是一個監(jiān)控TCP/IP網(wǎng)絡的非常有用的工具，它可以顯示路由表、實際的網(wǎng)絡連接以及每一個網(wǎng)絡接口設備的狀態(tài)信息 ），要查看有效連接信息使用的參數(shù)是（ -a ），要查看所有的連接信息使用的參數(shù)是（ -n ）。當發(fā)現(xiàn)連接的狀態(tài)是Listening表示（ 某端口 是個開放的TCP端口，正處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待遠程用戶的連接 ），Established表示（表示已建立通信連接，兩臺機器正在交換數(shù)據(jù) ）。5. 在JAVA中TCP的套接字類是( Socket )和（ServerSocket ）。ServerSocket類的accept的作用是( 實現(xiàn)與客戶端的連接，完成TCP連接的三次握手 )，Socket類獲得輸入流的方法是（InputStream getInputStream() ），獲得輸出流的方法是(OutputStream getOutputStream() ).4、 程序填空1. 客戶端連接服務器端import java.io.* /引用輸入與輸出類庫import .* /引用網(wǎng)絡類庫public class exp_5_1 public static void main(String args) String hostName = ; int port = 80; Socket cs = null; try cs = new Socket (hostName, port); System.out.println(連接+hostName+的端口+port+成功); System.out.println(對方主機 + cs.getInetAddress() + ：對方端口 + cs.getPort(); System.out.println(本地主機 + cs.getLocalAddress() + ：本地端口 + cs.getLocalPort(); Cs. close (); catch(Exception e) System.err.println(無法連接指定服務); 2. 客戶端連接服務器端，并獲得輸入與輸出流import java.io.*;import .*;public class exp_5_3 public static void main(String args) throws IOException Socket cs = null; DataOutputStream os = null; DataInputStream is = null; try/建立socket連接 cs = new Socket (localhost, 8000);/發(fā)出連接請求 is = new DataInputStream(cs. getInputstream (); os = new DataOutputStream(cs. getOutputstream (); catch(UnknownHostException e) System.err.println(不可識別的主機); System.exit(0); catch(IOException e) System.err.println(無法鏈接到服務器的8000端口); System.exit(0); DataInputStream stdIn = new DataInputStream(System.in); System.out.print(請輸入你的用戶名：); String username = stdIn.readLine(); String fromServer, fromUser; while(fromServer = is.readUTF() != null) System.out.println(Server: + fromServer); if(fromServer.equals(bye) break; System.out.print(Client:); fromUser = stdIn.readLine(); os.writeUTF(username + # +fromUser); Os. flush (); os.close(); is.close(); stdIn.close(); cs.close(); 3. 服務器端程序import java.io.*;import .*;public class exp_5_4/TCP通信，作為服務器 public static void main(String args) throws IOException ServerSocket ss = null; try ss = new ServerSocket (8000); System.out.println(服務器開始監(jiān)聽8000端口的連接請求); catch(IOException e) System.err.println(8000端口不能使用); System.exit(1); Socket cs= null; try cs = ss. accept (); catch(IOException e) System.err.println(接受客戶機端連接失敗); System.exit(1); DataOutputStream os = new DataOutputStream(cs.getOutputStream(); DataInputStream is = new DataInputStream(cs. getInputStream() ); String inputStr, outputStr; /輸出操作 os.writeUTF(Welcome to My Chat Server); os.flush();/立即將數(shù)據(jù)從輸出緩存提交給網(wǎng)絡發(fā)送 DataInputStream stdIn = new DataInputStream( System.in ); /獲得鍵盤輸入流 /輸入操作 while(inputStr= is. readUTF() != null) /接受網(wǎng)絡數(shù)據(jù) System.out.println(Customer: + inputStr); System.out.print(Server:); outputStr = stdIn.readLine(); /接受鍵盤輸入 Os. writeUTF (outputStr); /向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù) os.flush(); if(outputStr.equals(bye) break; os.close();/流關閉 is.close(); cs.close();/套接字關閉 ss.close(); 五、實驗內容1在Windows下使用netstat命令，查看本地計算機開放端口。獲得/help，分別測試-s -e r -a n及其組合。2. 對指定IP范圍內主機上指定PORT范圍進行連接測試。 import .*; (2分)import java.io.*;class myJavapublic static void main(String args)String host = 222.24.16.; (2分) String host_ip = null;Socket cs = null;for(int i=1; i17; i+) (2分)host_ip = host + i;for(int j=0; j65536; j+) trycs = new Socket(host_ip, j); (2分)System.out.println(host_ip + : + j);catch(Exception e) (2分)System.err.println();報告內容：運行結果，獲得探測范圍中對主機開放端口數(shù)進行統(tǒng)計，并得到所消耗的總時間。利用RandomAccessFile將探測結果保存在文件中（IP地址和開放的端口號）2簡單的單線程，一問一答式通信的TCP Server和TCP Client，注意在編譯源代碼時有個提示“某API已經(jīng)過時”，找到該API類或者方法。在運行程序時，注意通信雙方是否隨時輸入，如果不能，考慮可能是什么原因造成的。/服務器端import java.io.*;import .*;public class SimpleServer/位置一public static void main(String args)/TCP通信，作為服務器ServerSocket serverSocket = null; /位置二/首先建立服務器try/端口號唯一標是本進程 /位置三serverSocket = new ServerSocket(10); /修改10為本地TCP已被占用的端口，或超過065535的端口，觀察結果System.out.println(Server is Listening on Port 10 Now);catch(IOException e)System.err.println(Cant listen on port 10);System.exit(1);/接受客戶端連接Socket clientSocket = null;tryclientSocket = serverSocket.accept(); /connectcatch(IOException e)System.err.println(Accept failed);System.exit(1);tryPrintStream out = new PrintStream(new BufferedOutputStream(clientSocket.getOutputStream(), 1024) ,false);DataInputStream in = new DataInputStream(new BufferedInputStream(clientSocket.getInputStream();String inputLine, outputLine;/輸出操作out.println(Welcome to My Chat Server);out.flush();/立即將數(shù)據(jù)從輸出緩存提交給網(wǎng)絡發(fā)送 /接收鍵盤輸入 DataInputStream stdIn = new DataInputStream(System.in);/輸入操作while(inputLine = in.readLine() != null) /接受網(wǎng)絡數(shù)據(jù)System.out.println(Customer: + inputLine);System.out.print(Server:);outputLine = stdIn.readLine(); /接受鍵盤輸入/System.out.println(Server: + outputLine);out.println(outputLine); /向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)out.flush();if(outputLine.equals(bye) break;out.close();/流關閉in.close();clientSocket.close();/套接字關閉serverSocket.close();catch(IOException e)System.err.println(Protocol Stream Error); /客戶端import java.io.*;import .*;public class MyClientpublic static void main(String args) throws IOExceptionSocket comSocket = null;PrintStream out = null;DataInputStream in = null;try/建立socket連接comSocket = new Socket(localhost, 1080);/相指定服務器的端口發(fā)出連接請求，注意服務器開放的TCP端口號 /分別對應服務器端的O/I流in = new DataInputStream(comSocket.getInputStream();out = new PrintStream(comSocket.getOutputStream();catch(UnknownHostException e)System.err.println(Cant find the Server host);System.exit(0);catch(IOException e)System.err.println(Cant get I/O for the Connection);System.exit(0);DataInputStream stdIn = new DataInputStream(System.in);String fromServer, fromUser;while(fromServer = in.readLine() != null)System.out.println(Server: + fromServer);if(fromServer.equals(bye) break;fromUser = stdIn.readLine();if(fromUser != null)System.out.println(Client: + fromUser);out.println(fromUser);out.close();in.close();stdIn.close();comSocket.close();注意：將位置二的語句分別放置到位置一和位置三，編譯看會出現(xiàn)什么問題，為什么會出現(xiàn)問題，該如何解決。答：不能。只能每次等對方輸入完才行，可能是因程序運行時占用同一通道，只能等對方不占用通道時才能執(zhí)行。將位置二的語句放到位置一時，位置三會報錯，因為此時serverSocket的作用范圍不在位置三內，應將serverSocket用static修飾；將位置二的語句放到位置三時，調用accept（）方法的serverSocket會報錯，因為此時serverSocket的作用范圍被縮小在第一個try catch塊中，應該在第一個try catch塊的外面進行serverSocket的初始化。4以下代碼是個非常經(jīng)典的用戶自定義一問一答協(xié)議，在這里只需要修改服務器端程序即可，添加了GreetingProtocol.java（自定義協(xié)議），調試并修改協(xié)議使程序可以正常運行。/服務器端import java.io.*;import .*;public class MyServerpublic static void main(String args)/TCP通信，作為服務器ServerSocket serverSocket = null; /首先建立服務器tryserverSocket = new ServerSocket(1080);System.out.println(Server is Listening Now);catch(IOException e)System.err.println(Cant listen on port);System.exit(1);/接受客戶端連接Socket clientSocket = null;tryclientSocket = serverSocket.accept(); /connectcatch(IOException e)System.err.println(Accept failed);System.exit(1);tryPrintStream out = new PrintStream(new BufferedOutputStream(clientSocket.getOutputStream(), 1024) ,false);DataInputStream in = new DataInputStream(new BufferedInputStream(clientSocket.getInputStream();String inputLine, outputLine; /自定義協(xié)議GreetingProtocol greeting = new GreetingProtocol();outputLine = cessInput(null);/輸出操作out.println(Welcome to My Chat Server);out.flush();/立即將數(shù)據(jù)從輸出緩存提交給網(wǎng)絡發(fā)送/輸入操作while(inputLine = in.readLine() != null)System.out.println(outputLine); /協(xié)議處理信息 outputLine = cessInput(inputLine); out.println(outputLine);out.flush();if(outputLine.equals(bye) break;out.close();/流關閉in.close();clientSocket.close();/套接字關閉serverSocket.close();catch(IOException e)System.err.println(Protocol Stream Error); /自定義協(xié)議public class GreetingProtocolprivate static final int WAITING = 0;private static final int SENDKNOCK = 1;private static final int SENDCLUE = 2;private static final int ANOTHER = 3;private static final int NUMJOKES = 5;private int state = WAITING;private int currentJoke = 0;private String clues = Turnip, Little Old Lady, Atch, Lamp, Godness;private String answers = Turnip the heat, its cold in here!,I did not know you could come!,Bless you,Lamp is bright,Godness is happy;public String processInput(String theInput)String theOutput = null;if(state = WAITING)theOutput = Knock! Knock!.;state = SENDKNOCK;else if( state = SENDKNOCK)if(theInput.equalsIgnoreCase(Whos there?)theOutput = cluescurrentJoke;state = SENDCLUE;elsetheOutput = You are supposed to say Whos there? ! Try again.;else if( state = SENDCLUE)if(theInput.equalsIgnoreCase(cluescurrentJoke + Who?)theOutput = answerscurrentJoke + Want another?(y/n);state = ANOTHER;elsetheOutput = You are supposed to say + cluescurrentJoke + Who? ! Try again. Knock! Knock!;state = SENDKNOCK;else if( state = ANOTHER)if(theInput.equalsIgnoreCase(y)theOutput = Knock! Knock!;if(currentJoke = (NUMJOKES - 1)currentJoke = 0;elsecurrentJoke +;state = SENDKNOCK;elsetheOutput = bye;state = WAITING;return theOutput;3探測目標計算機開放的TCP 端口import java.io.*;import .*;public class ScanPortpublic static void main(String args) throws IOExceptionSocket comSocket = null;for(int i=0;i1024; i+)try/建立socket連接comSocket = new Socket(localhost, i);/發(fā)出連接請求System.out.println(Can get I/O for the Connection, Port: + i);catch(UnknownHostException e)System.err.println(Cant find the Server host);/System.exit(0);catch(IOException e)System.err.println(Cant get I/O for the Connection, Port: + i);/System.exit(0);trycomSocket.close();catch(Exception e)思考：是否可以探測目標計算機的UDP端口4. TCP傳輸文件/采用TCP進行通訊，需要服務器和客戶端兩個部分，因此程序包含SendFileServer.java和SendFileClient.java兩個部分。兩個文件的IP，端口都在程序中指定, 傳輸?shù)奈募窂揭苍诔绦蛑兄付?SendFileServer.javaimport java.io.FileInputStream;import java.io.IOException;import java.io.OutputStream;import .ServerSocket;import .Socket;/* * 用TCP進行文件傳輸 * 此文件為服務器文件 * 當接受到客戶端的請求之后，先向其傳輸文件名 * 當客戶端接受完畢之后，向客戶端傳輸文件 * */public class SendFileServer implements Runnable/ 服務器監(jiān)聽端口private static final int MONITORPORT = 12345;private Socket s ;public SendFileServer(Socket s) super();this.s = s;public static void server()try / 創(chuàng)建服務器socketServerSocket ss = new ServerSocket(MONITORPORT);while(true)/ 接收到一個客戶端連接之后，創(chuàng)建一個新的線程進行服務/ 并將聯(lián)通的socket傳給該線程Socket s = ss.accept();new Thread(new SendFileServer(s