套接字是什么，套接字通信及其原理

通常，套接字采用客户机-服务器架构。服务器通过监听指定端口，来等待客户请求。服务器在收到请求后，接受来自客户套接字的连接，从而完成连接。

实现特定服务（如 telnet、ftp 和 http）的服务器监听众所周知的端口（telnet 服务器监听端口 23，ftp 服务器监听端口 21，Web 或 http 服务器监听端口 80）。所有低于 1024 的端口都是众所周知的，我们可以用它们来实现标准服务。

当客户进程发出连接请求时，它的主机为它分配一个端口。这个端口为大于1024的某个数字。例如，当 IP 地址为 146.86.5.20 的主机 X 的客户希望与 IP 地址为 161.25.19.8 的 Web 服务器（监听端口 80）建立连接时，它所分配的端口可为1625。该连接由一对套接字组成：主机 X 上的（146.86.5.20:1625）, Web服务器上的（161.25.19.8:80）。这种情况如图 1 所示。根据目的端口号码，主机之间传输的分组可以发送到适当的进程。

图 1 采用套接字的通信

所有连接必须是唯一的。因此，当主机 X 的另一个进程希望与同样的 Web 服务器建立另一个连接时，它会分配到另一个大于 1024 但不等于 1625 的端口号。这确保了所有连接都由唯一的一对套接字组成。

为了演示套接字，本节我们会用 Java 语言，因为 Java 提供一个更加简单的套接字接口而且提供丰富的网络工具库。

Java 提供三种不同类型的套接字：

1. 面向连接的 TCP 套接字是用 Socket 类实现的；
2. 无连接的 UDP 套接字使用 DatagramSocket 类。
3. MulticastSocket 类为 DatagramSocket 类的子类，多播套接字允许数据发送到多个接收者。

下面的例子，即日期服务器，采用面向连接的 TCP 套接字。这个操作允许客户机向服务器请求当前的日期和时间。服务器监听端口 6013，当然端口号可以是任何大于 1024 的数字。在接收到连接时，服务器将日期和时间返回给客户机。

import java.net.*;
import java.io.*;
public class DateServer
{
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket sock = new ServerSocket(6013);
            /* now listen for connections */
            while (true) {
                Socket client = sock.accept();
                PrintWriter pout = new PrintWriter(client.getOutputStream(),true);
                /* write the Date to the socket */
                pout. println (new java.util.Date().toString());
                /* close the socket and resume */
                /* listening for connections */
                client.close();
            }

        }
        catch (IOException ioe) {
            System.err.println(ioe);
        }
    }
}

此程序为日期服务器程序。服务器创建一个 ServerSocket，监听端口号 6013，然后调用 accept() 方法，开始监听端口。服务器阻塞在方法 accept() 上，等待客户请求连接。当接收到连接请求时，accept() 返回一个套接字，以供服务器与客户进程进行通信。

服务器如何与套接字通信的有关细节如下。服务器首先建立 PrintWriter 对象，以便与客户进行通信。PrintWriter 对象允许服务器通过输出方法 print() 和 printin() 写到套接字。服务器通过方法 println() 发送日期到客户机。服务器在将日期写到套接字后，就关闭与客户相连的套接字，并且重新监听更多请求。

为与服务器通信，客户创建一个套接字，并且连到服务器监听的端口。以下的 Java 程序为客户机的实现。

import java.net.*;
import java.io.*;
public class DateClient {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            /* make connection to server socket */
            Socket sock = new Socket("127.0.0.1",6013);
            InputStream in = sock.getInputStreamO ;
            BufferedReader bin = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
            /* read the date from the socket */
            String line;
            while ( (line = bin.readLine()) != null)
                System.out.printIn(line);
            /* close the socket connection*/
            sock.close() ;
        }
        catch (IOException ioe) {
            System.err.printIn(ioe);
        }
    }
}

客户创建一个 Socket，并与 IP 地址为 127.0.0.1 的服务器端口 6013 建立连接。连接建立后，客户就通过普通的流 I/O 语句来从套接字进行读取。在收到服务器的日期后，客户就关闭端口，并退出。

IP 地址 127.0.0.1 为特殊 IP 地址，称为回送。当计算机采用地址 127.0.0.1 时，它引用自己。这一机制允许同一主机的客户机和服务器可以通过 TCP/IP 协议进行通信。IP 地址 127.0.0.1 可以换成运行日期服务器的另一主机的 IP 地址。除 IP 地址外，也可采用如 www.westminstercollege.edu 这样实际的主机名。

使用套接字的通信，虽然常用和高效，但是属于分布式进程之间的一种低级形式的通信。原因是套接字只允许在通信线程之间交换无结构的字节流。客户机或服务器程序需要自己加上数据结构。