基于TCP的Java Socket網(wǎng)絡(luò)連接過程要點分析

李檢輝

關(guān)鍵詞：Java；TCP；三次握手；accept隊列；多線程

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）20-0103-03

在網(wǎng)絡(luò)分層里，基于Java的套接字（Socket） 網(wǎng)絡(luò)編程應(yīng)用屬于應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)通信雙方的兩個應(yīng)用程序在應(yīng)用層面上各創(chuàng)建一個Socket，并通過Socket建立一個雙向的通信連接以實現(xiàn)應(yīng)用層面數(shù)據(jù)的交換[1]。應(yīng)用程序的Socket并不是直接訪問主機通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而是通過調(diào)用操作系統(tǒng)提供的Socket API接口來請求數(shù)據(jù)傳輸，并通過這個接口選擇傳輸層提供的TCP協(xié)議或UDP協(xié)議來完成通信。TCP協(xié)議要求在真正的數(shù)據(jù)傳輸前雙方先完成三次“預(yù)通信”連接過程，即三次握手，用于確認(rèn)傳輸通道是否正常，并建立一條虛連接，然后傳送數(shù)據(jù)，且通信結(jié)束時還需要拆除連接[2]。由于UDP是不面向連接的協(xié)議，這里不進(jìn)行分析。

在Java網(wǎng)絡(luò)編程通信模型里，TCP虛連接請求由客戶端（Client）發(fā)起，如圖1所示。

1） 在第一次握手中，由客戶端發(fā)起SYN報文，服務(wù)端收到該報文后，第一次握手成功；

2） 接著，服務(wù)端發(fā)起第二次握手，向客戶端發(fā)送SYN+ACK 報文，客戶端收到該報文后，第二次握手成功；

3） 最后，由客戶端發(fā)起第三次握手，向服務(wù)端發(fā)送ACK報文，服務(wù)端收到該報文，便完成三次握手，雙方建立一條TCP連接。

那么，在Java Socket通信程序中，三次握手是否由Socket應(yīng)用程序完成，三次握手是何時開始，何時結(jié)束，程序是如何完成這些步驟的？這些是本文要探討的主要問題。

1 服務(wù)端監(jiān)聽客戶端發(fā)起連接

Java程序通過類ServerSocket創(chuàng)建服務(wù)端，并通過調(diào)用bind（）方法綁定服務(wù)器地址。一臺主機可以同時提供多個服務(wù)，這些不同服務(wù)的IP地址是相同的，因此需要通過不同的端口來區(qū)別不同的服務(wù)[3]。創(chuàng)建服務(wù)器的代碼如下：

SocketAddress server_addr =new InetSocketAddress“（ 192.168.1.2”，5000）;

ServerSocket ss=new ServerSocket（）;

ss.bind（server_addr，4）;

或者直接通過構(gòu)造方法new ServerSocket（5000，4） 綁定本地端口，其中“192.168.1.2”為服務(wù)端的IP 地址，5000為端口。

構(gòu)造方法及bind（）方法中的數(shù)值4 是形式參數(shù)backlog的實值，表示最大連接數(shù)為4。操作系統(tǒng)將綁定某個指定端口的入站連接請求，存儲在一個先進(jìn)先出的隊列中。后期，服務(wù)器在處理隊列中的連接請求時會調(diào)用accept（）方法，所以，這個隊列也被稱為ac?cept隊列，不同的操作系統(tǒng)對accept隊列的長度設(shè)定會有所不同。設(shè)置backlog值是在應(yīng)用程序?qū)用嬖O(shè)定accept 隊列的大小。在SeverSocket 類的源碼中， 對backlog設(shè)定了默認(rèn)值50，代碼如下：

public void bind（SocketAddress endpoint） throwsIOException {

bind（endpoint， 50）;

}

如果在綁定端口時沒有給定這個參數(shù)值，即調(diào)用另一個重載方法ss.bind（server_addr），程序則會將backlog的值自動設(shè)定為默認(rèn)值50?；蛘呓壎ǘ丝跁r給定的backlog4的值小于1時，程序也會將這個值重新設(shè)置為50。方法void bind（SocketAddress endpoint，int backlog）中的相關(guān)代碼如下：

if （backlog < 1）

backlog = 50;

bind（）方法在執(zhí)行時，首先會綁定服務(wù)端地址（IP 地址和端口），接著會調(diào)用listen（）方法傳遞backlog的值，以設(shè)置最大連接數(shù)，并開始進(jìn)入端口監(jiān)聽狀態(tài)，以等待客戶端的連接。此時，服務(wù)端操作系統(tǒng)會開始響應(yīng)到達(dá)該端口連接請求。當(dāng)有客戶端連接服務(wù)端并完成三次握手后，服務(wù)端則會將此連接放入accept隊列，等待服務(wù)端調(diào)用accept（）方法從該隊列中取出并進(jìn)行后期通信。如果accept隊列中存儲的未處理的連接數(shù)目達(dá)到設(shè)定的backlog值，即隊列滿了，那么，服務(wù)端將會拒絕新的客戶端的連接請求。

2 客戶端觸發(fā)第一次握手

客戶端可以通過如下代碼連接服務(wù)端：

Socket s = new Socket（）;

SocketAddress server_addr=new InetSocketAddress“（ 192.168.1.2”，5000）;

s.connect（server_addr）; 或者直接使用Socket 的構(gòu)造方法連接服務(wù)端，例如：

Socket s = new Socket（host_name，port）;

從Socket類的源碼可知，該構(gòu)造方法在執(zhí)行時會自動調(diào)用connect（）方法連接服務(wù)端。

客戶端在開始執(zhí)行connect（）方法時，首先觸發(fā)TCP的第一次握手。如果此時服務(wù)端未啟動，或者服務(wù)端的連接隊列滿了，那么connect（）方法會拋出Socket異常，提示“異常信息：Connection refused： con?nec“t 的錯誤。如果服務(wù)端正常響應(yīng)，接下來會進(jìn)行第二次及第三次的握手，當(dāng)三次握手成功時則connect（） 方法會正常返回。

3 三次握手與程序之間的關(guān)系

基于TCP協(xié)議的Java Socket程序通信的過程可以通過三個層面進(jìn)行解析，如圖2所示應(yīng)用程序（Cli?ent與Server） 、Socket、操作系統(tǒng)（OS） 之間的關(guān)系。三次握手在操作系統(tǒng)層面進(jìn)行，客戶端與服務(wù)端之間通過操作系統(tǒng)提供Socket API 接口完成通信連接。

1） 服務(wù)端創(chuàng)建ServerSocket對象，調(diào)用bind（）綁定和監(jiān)聽端口，并創(chuàng)建一個先進(jìn)先出的accept隊列；

2） 客戶端創(chuàng)建Socket對象后，通過調(diào)用其connect（）方法觸發(fā)了三次握手。連接成功后，系統(tǒng)將該連接放入accept隊列。客戶端同時通過這個Socket創(chuàng)建后續(xù)與服務(wù)器通信的輸入輸出流（in、out） ;

3） 服務(wù)端調(diào)用accept（）方法監(jiān)聽accept隊列是否成功連接。如果有，則取出并返回一個與對應(yīng)客戶端通信的Socket對象，并創(chuàng)建與該客戶端通信的輸入輸出流（in、out） ；

4） 在客戶端調(diào)用connect（）方法成功返回后，如果服務(wù)端并沒有執(zhí)行accept（）方法將這個客戶端的請求從accept隊列中取出處理，那么客戶端并不能真正地和服務(wù)端進(jìn)行應(yīng)用層面上的通信。但是，客戶端已經(jīng)可以通過Socket建立輸入輸出流，并開始向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)，而服務(wù)端操作系統(tǒng)也會在TCP協(xié)議層面回復(fù)ACK包，并將數(shù)據(jù)保存在指定的緩沖區(qū)中，等待服務(wù)端程序的后期處理。

因此，三次握手與accept（）方法并無直接關(guān)系。通過模擬實驗可以驗證，在未執(zhí)行accept（）方法的情況下，已經(jīng)完成三次握手，如圖3所示。當(dāng)accept隊列已滿時，客戶端的第一次握手請求（SYN） 后，會收到RST 包，表示重置連接，即該連接請求被服務(wù)端面拒絕，接著客戶端會連續(xù)嘗試發(fā)送SYN包，如果仍是收到RST 包，則結(jié)束連接請求，如圖4所示。只要完成了三次握手，客戶端便可以向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)會在服務(wù)端的操作系統(tǒng)層面被接收并存儲在臨時空間。

4 Accept 方法處理要點分析

從服務(wù)端資源的安全使用方面考慮，服務(wù)端程序需要設(shè)定合適的最大連接數(shù)。然后，一旦設(shè)定了最大連接數(shù)，如果程序沒有及時調(diào)用accept方法對取出ac?cept隊列的請求進(jìn)行處理，則會帶來如下兩個問題。

1） 如果在短時間內(nèi)有較多的客戶端發(fā)起連接請求，而服務(wù)端不能夠及時地將請求從accept隊列取出進(jìn)行處理，accept隊列很快會溢出，致使其他客戶端的連接都會被拒絕；

2） 客戶端一旦完成了三次握手，則可以通過Socket創(chuàng)建輸出流發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)端，如果服務(wù)端程序不及時處理，客戶端可能因為沒有及時得到回復(fù)而進(jìn)入異常狀態(tài)，同時服務(wù)端相應(yīng)的緩存會被大量占用。

因此，程序中如何調(diào)用accept（）方法顯得非常重要。在單線程程序中，當(dāng)服務(wù)器調(diào)用accept（）方法接收到第一個客戶請求時，便創(chuàng)建輸入輸出流，開始與客戶端進(jìn)行通信[4]。在通信結(jié)束前，不會再次調(diào)用accept（）方法接收其他客戶的連接請求，而越來越多的未被接收的連接請求就會占滿整個accept隊列。解決這個問題的方式有兩種，一種是應(yīng)用非阻塞I/O技術(shù)，另一種是應(yīng)用多線程技術(shù)。由于非阻塞I/O技術(shù)比較復(fù)雜，這里不展開分析。

多線程技術(shù)可以實現(xiàn)分開執(zhí)行不同的任務(wù)或者分段執(zhí)行程序代碼，從而顯著提高程序的運行效率[5]。應(yīng)用多線程解決問題的關(guān)鍵在于將接收請求與處理請求分離成兩個任務(wù)。服務(wù)端程序的主線程用于執(zhí)行接收請求任務(wù)，循環(huán)地調(diào)用accept（）方法，每當(dāng)ac?cept（）成功返回相應(yīng)Socket對象時，創(chuàng)建一個新的線程（子線程）并傳遞Socket對象，啟動這個新線程。代碼如下：

while （true）{

Socket clientSocket = listenSocket.accept（）;

Thread t = new ClientThread（clientSocket）;

t.start（）;

｝

其中，ClientThread 類為子線程類（class Client?Thread extends Thread）。服務(wù)端主線程通過調(diào)用Cli?entThread類的構(gòu)造方法創(chuàng)建子線程，并調(diào)用start（）方法啟動子線程用于執(zhí)行與客戶端通信的任務(wù)。這樣，主線程啟動子線程后便可以快速地返回并進(jìn)入下一次的循環(huán)，繼續(xù)調(diào)用accept（）方法接收accept隊列中下一個客戶端的請求。在這個子線程中，通過傳遞的Socket對象創(chuàng)建通信的輸入輸出流，開始與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

應(yīng)用多線程響應(yīng)客戶端請求時，應(yīng)考慮服務(wù)器的資源狀況。由于服務(wù)端可以快速地處理accept隊列中的請求，將會產(chǎn)生大量的子線程用于各個客戶端的通信。如果不做任何控制，過多的子線程也有可能影響系統(tǒng)的性能。因此，最好是應(yīng)用線程池技術(shù)對這些子線程進(jìn)行管理。

5 結(jié)束語

文章從應(yīng)用程序、Socket和操作系統(tǒng)三個層面分析Java Socket程序，可以看出，TCP三次握手是由程序通過調(diào)用操作系統(tǒng)的API接口，并在操作系統(tǒng)內(nèi)核層面完成的。三次握手是在服務(wù)端調(diào)用bind（）方法后，由客戶端調(diào)用connect（）方法觸發(fā)完成，服務(wù)端的ac?cept（）方法只是用于處理已完成的連接請求，并不參與三次握手的過程。但是，如果服務(wù)端在與客戶端連接成功后，沒有及時處理accept隊列，也會影響新的客戶端的請求，致使三次握手失敗。