Введение в сетевые протоколы

Пакет java.net

Перейдем к рассмотрению средств Java для работы с сетью.

Классы, работающие с сетевыми протоколами, располагаются в пакете java.net, и простейшим из них является класс URL. С его помощью можно сконструировать uniform resource locator (URL), который имеет следующий формат:

protocol://host:port/resource

Здесь protocol – название протокола, используемого для связи; host – IP-адрес, или DNS-имя сервера, к которому производится обращение; port – номер порта сервера (если порт не указан, то используется значение по умолчанию для указанного протокола); resource – имя запрашиваемого ресурса, причем, оно может быть составным, например:

ftp://myserver.ru/pub/docs/Java/JavaCourse.txt

Затем можно воспользоваться методом openStream(), который возвращает InputStream, что позволяет считать содержимое ресурса. Например, следующая программа при помощи LineNumberReader считывает первую страницу сайта http://www.ru и выводит ее на консоль.

import java.io.*;
import java.net.*;

public class Net {
  public static void main(String args[]) {
    try {
      URL url = new URL("http://www.ru");
      LineNumberReader r = 
        new LineNumberReader(new
        InputStreamReader(url.openStream()));
      String s = r.readLine();
      while (s!=null) {
        System.out.println(s);
        s = r.readLine();
      }
      System.out.println(r.getLineNumber());
      r.close();
    } catch (MalformedURLException e) {
      e.printStackTrace();
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

Из примера мы видим, что работа с сетью, как и работа с потоками, требует дополнительной работы с исключительными ситуациями. Ошибка MalformedURLException появляется в случае, если строка c URL содержит ошибки.

Более функциональным классом является URLConnection, который можно получить с помощью метода класса URL.openConnection(). У этого класса есть два метода – getInputStream() (именно с его помощью работает URL.openStream() ) и getOutputStream(), который можно использовать для передачи данных на сервер, если он поддерживает такую операцию (многие публичные web-серверы закрыты для таких действий).

Класс URLConnection является абстрактным. Виртуальная машина предоставляет реализации этого класса для каждого протокола, например, в том же пакете java.net определен класс HttpURLConnection. Понятно, что классы URL и URLConnection предоставляют возможность работы через сеть на прикладном уровне с помощью высокоуровневых протоколов.

Пакет java.net также предоставляет доступ к протоколам более низкого уровня – TCP и UDP. Для этого сначала надо ознакомиться с классом InetAddress, который является Internet-адресом, или IP. Экземпляры этого класса создаются не с помощью конструкторов, а с помощью статических методов:

InetAddress getLocalHost()
InetAddress getByName(String name)
InetAddress[] getAllByName(String name)

Первый метод возвращает IP-адрес машины, на которой исполняется Java- программа. Второй метод возвращает адрес сервера, чье имя передается в качестве параметра. Это может быть как DNS-имя, так и числовой IP, записанный в виде текста, например, "67.11.12.101". Наконец, третий метод определяет все IP-адреса указанного сервера.

Для работы с TCP-протоколом используются классы Socket и ServerSocket. Первым создается ServerSocket – сокет на стороне сервера. Его простейший конструктор имеет только один параметр – номер порта, на котором будут приниматься входящие запросы. После создания вызывается метод accept(), который приостанавливает выполнение программы и ожидает, пока какой-нибудь клиент не инициирует соединение. В этом случае работа сервера возобновляется, а метод возвращает экземпляр класса Socket для взаимодействия с клиентом:

try {
   ServerSocket ss = new ServerSocket(3456);
   Socket client=ss.accept(); 
   // Метод не возвращает
   // управление, пока не подключится клиент
} catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
}

Клиент для подключения к серверу также использует класс Socket. Его простейший конструктор принимает два параметра - адрес сервера (в виде строки, или экземпляра InetAddress ) и номер порта. Если сервер принял запрос, то сокет конструируется успешно и далее можно воспользоваться методами getInputStream() или getOutputStream().

try {
   Socket s = new Socket("localhost", 3456);
   InputStream is = s.getInputStream();
   is.read();
} catch (UnknownHostException e) {
   e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
}

Обратите внимание на обработку исключительной ситуации UnknownHostException, которая будет генерироваться, если виртуальная машина с помощью операционной системы не сможет распознать указанный адрес сервера в случае, если он задан строкой. Если же он задан экземпляром InetAddress, то эту ошибку надо обрабатывать при вызове статических методов данного класса.

На стороне сервера класс Socket используется точно таким же образом – через методы getInputStream() и getOutputStream(). Приведем более полный пример:

import java.io.*;
import java.net.*;
public class Server {
  public static void main(String args[]) {
    try {
      ServerSocket ss = new ServerSocket(3456);
      System.out.println("Waiting...");
      Socket client=ss.accept();
      System.out.println("Connected");
      client.getOutputStream().write(10);
      client.close();
      ss.close();
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

Сервер по запросу клиента отправляет число 10 и завершает работу. Обратите внимание, что при завершении вызываются методы close() для открытых сокетов.

Класс клиента:

import java.io.*;
import java.net.*;
public class Client {
  public static void main(String args[]) {
    try {
      Socket s = new Socket("localhost", 3456);
      InputStream is = s.getInputStream();
      System.out.println("Read: "+is.read());
      s.close();
    } catch (UnknownHostException e) {
      e.printStackTrace();
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

После запуска сервера, а затем клиента, можно увидеть результат – полученное число, 10, после чего обе программы закроются.

Рассмотрим эти классы более подробно. Во-первых, класс ServerSocket имеет конструктор, в который передается, кроме номера порта, еще и адрес машины. Это может показаться странным, ведь сервер открывается на той же машине, где работает программа, зачем специально указывать ее адрес? Однако, если компьютер имеет несколько сетевых интерфейсов ( сетевых карточек ), то он имеет и несколько сетевых адресов. С помощью такого детализированного конструктора можно указать, по какому именно адресу ожидать подключения. Это должен быть именно локальный адрес машины, иначе возникнет ошибка.

Аналогично, класс Socket имеет расширенный конструктор для указания как локального адреса, с которого будет устанавливаться соединение, так и локального порта (иначе операционная система выделяет произвольный свободный порт).

Во-вторых, можно воспользоваться методом setSoTimeout(int timeout) класса ServerSocket, чтобы указать время в миллисекундах, на протяжении которого нужно ожидать подключение клиента. Это позволяет серверу не "зависать", если никто не пытается начать с ним работать. Тайм-аут задается в миллисекундах, нулевое значение означает бесконечное время ожидания.

Важно подчеркнуть, что после установления соединения с клиентом сервер выходит из метода accept(), то есть перестает быть готовым принимать новые запросы. Однако, как правило, желательно, чтобы сервер мог работать с несколькими клиентами одновременно. Для этого необходимо при подключении очередного пользователя создавать новый поток исполнения, который будет обслуживать его, а основной поток снова войдет в метод accept(). Приведем пример такого решения:

import java.io.*;
import java.net.*;

public class NetServer {
   public static final int PORT = 2500;
   private static final int TIME_SEND_SLEEP = 100;
   private static final int COUNT_TO_SEND = 10;
   private ServerSocket servSocket;

   public static void main(String[] args) {
      NetServer server = new NetServer();
      server.go();
   }

   public NetServer() {
      try{
         servSocket = new ServerSocket(PORT);
      } catch(IOException e) {
         System.err.println("Unable to open Server Socket : " + e.toString());
      }
   }

   public void go() {

      // Класс-поток для работы с 
      //подключившимся клиентом
      class Listener implements Runnable {
         Socket socket;
         public Listener(Socket aSocket) {
            socket = aSocket;
         }
         public void run() {
            try {
               System.out.println("Listener started");
               int count = 0;
               OutputStream out = socket.getOutputStream();
               OutputStreamWriter writer = new
                  OutputStreamWriter(out);
               PrintWriter pWriter = new PrintWriter(writer);
               while (count<COUNT_TO_SEND) {
                  count++;
                  pWriter.print(((count>1)?",":"")+ "Say" + count);
                  sleeps(TIME_SEND_SLEEP);
               }
               pWriter.close();
            } catch(IOException e) {
               System.err.println("Exception : " + e.toString());
            }
         }
      }

      // Основной поток, циклически выполняющий метод accept()
      System.out.println("Server started");
      while (true) {
         try {
            Socket socket = servSocket.accept();
            Listener listener = new Listener(socket);
            Thread thread = new Thread(listener);
            thread.start();
         } catch(IOException e) {
            System.err.println("IOException : " + e.toString());
         }
      }
   }

   public void sleeps(long time) {
      try {
         Thread.sleep(time);
      } catch(InterruptedException e) {
      }
   }
}

Теперь объявим клиента. Эта программа будет запускать несколько потоков, каждый из которых независимо подключается к серверу, считывает его ответ и выводит на консоль.

import java.io.*;
import java.net.*;

public class NetClient implements Runnable {
   public static final int PORT = 2500;
   public static final String HOST = "localhost";
   public static final int CLIENTS_COUNT = 5;
   public static final int READ_BUFFER_SIZE = 10;

   private String name = null;

   public static void main(String[] args) {
      String name = "name";
      for (int i=1; i<=CLIENTS_COUNT; i++) {
         NetClient client = new NetClient(name+i);
         Thread thread = new Thread(client);
         thread.start();
      }
   }

   public NetClient(String name) {
      this.name = name;
   }

   public void run() {
      char[] readed = new char[READ_BUFFER_SIZE];
      StringBuffer strBuff = new StringBuffer();
      try {
         Socket socket = new Socket(HOST, PORT);
         InputStream in = socket.getInputStream();
         InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);
         while (true) {
            int count = reader.read(readed, 0,
               READ_BUFFER_SIZE);
            if (count==-1) break;
            strBuff.append(readed, 0, count);
            Thread.yield();
         }
      } catch (UnknownHostException e) {
         e.printStackTrace();
      } catch (IOException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      System.out.println("client " + name + " read : " + strBuff.toString());
   }
}

Теперь рассмотрим UDP. Для работы с этим протоколом и на стороне клиента, и на стороне сервера используется класс DatagramSocket. У него есть следующие конструкторы:

DatagramSocket()
DatagramSocket(int port)
DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)

При вызове первого конструктора сокет открывается на произвольном доступном порту, что уместно для клиента. Конструктор с одним параметром, задающим порт, как правило, применяется на серверах, чтобы клиенты знали, на каком порту им нужно пытаться устанавливать соединение. Наконец, последний конструктор необходим для машин, у которых присутствует несколько сетевых интерфейсов.

После открытия сокетов начинается обмен датаграммами. Они представляются экземплярами класса DatagramPacket. При отсылке сообщения применяется следующий конструктор:

DatagramPacket(byte[] buf, int length, 
               InetAddress address, int port)

Массив содержит данные для отправки (созданный пакет будет иметь длину, равную length ), а адрес и порт указывают получателя пакета. После этого вызывается метод send() класса DatagramSocket.

try {
   DatagramSocket s = new DatagramSocket();
   byte data[]={1, 2, 3};
   InetAddress addr = 
      InetAddress.getByName("localhost");
   DatagramPacket p = 
      new DatagramPacket(data, 3, addr, 3456);
   s.send(p);
   System.out.println("Datagram sent");
   s.close();
} catch (SocketException e) {
   e.printStackTrace();
} catch (UnknownHostException e) {
   e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
}

Для получения датаграммы также создается экземпляр класса DatagramPacket, но в конструктор передается лишь массив, в который будут записаны полученные данные (также указывается ожидаемая длина пакета). Сокет необходимо создать с указанием порта, иначе, скорее всего, сообщение просто не дойдет до адресата. Используется метод receive() класса DatagramSocket (аналогично методу ServerSocket.accept(), этот метод также прерывает выполнение потока, пока не придет запрос от клиента). Пример реализации получателя:

try {
   DatagramSocket s = 
      new DatagramSocket(3456);
   byte data[]=new byte[3];
   DatagramPacket p = 
      new DatagramPacket(data, 3);
   System.out.println("Waiting...");
   s.receive(p);
   System.out.println("Datagram received: "+
      data[0]+", "+data[1]+", "+data[2]);
   s.close();
} catch (SocketException e) {
   e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
}

Если запустить сначала получателя, а затем отправителя, то можно увидеть, что первый напечатает содержимое полученной датаграммы, а потом программы завершат свою работу.

В заключение приведем пример сервера, который получает датаграммы и отправляет их обратно, дописав к ним слово received.

import java.io.*;
import java.net.*;

public class DatagramDemoServer {
   public static final int PORT = 2000;
   private static final int LENGTH_RECEIVE = 1;
   private static final byte[] answer = ("received").getBytes();
   private DatagramSocket servSocket = null;
   private boolean keepRunning = true;
   public static void main(String[] args) {
      DatagramDemoServer server = new DatagramDemoServer();
      server.service();
   }

   public DatagramDemoServer() {
      try {
         servSocket = new DatagramSocket(PORT);
      } catch(SocketException e) {
         System.err.println("Unable to open socket : " + e.toString());
      }
   }
   protected void service() {
      DatagramPacket datagram;
      InetAddress clientAddr;
      int clientPort;
      byte[] data;
      while (keepRunning) {
         try {
            data = new byte[LENGTH_RECEIVE];
            datagram = new DatagramPacket(data, data.length);
            servSocket.receive(datagram);
            clientAddr = datagram.getAddress();
            clientPort = datagram.getPort();
            data = getSendData(datagram.getData());
            datagram = new DatagramPacket(data, data.length,
               clientAddr, clientPort);
            servSocket.send(datagram);
         } catch(IOException e) {
            System.err.println("I/O Exception : " + e.toString());
         }
      }
   }
   protected byte[] getSendData(byte b[]) {
      byte[] result = new byte[b.length+answer.length];
      System.arraycopy(b, 0, result, 0, b.length);
      System.arraycopy(answer, 0, result, b.length, answer.length);
      return result;
   }
}

Заключение

В данном разделе были рассмотрены теоретические основы сети как одной большой взаимодействующей системы. Были описаны все уровни модели OSI и их функциональные назначения. Также были представлены основные утилиты, используемые для настройки и обнаружения неисправностей в сети. Затем были рассмотрены средства Java для работы с наиболее распространенными сетевыми протоколами. Приведен подробный пример и для более сложного случая – сервер, обслуживающий несколько клиентов одновременно.