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Java 網路程式設計：Socket 程式設計基礎指南

什麼是 Socket？

Socket（插座）是網路通訊的端點，提供一種機制，使得兩個程式可以在網路上進行資料交換。
在 Java 中，Socket 是一個類別，封裝底層的網路通訊細節，讓開發者能夠專注於應用邏輯的實現。

Socket 在網路通訊中的角色

在網路通訊模型中，Socket 扮演著關鍵的角色：

  1. 抽象化網路通訊：Socket 將複雜的網路通訊過程抽象化，提供一個簡單的介面供應用程式使用。

  2. 建立點對點連接：Socket 允許兩個應用程式之間建立直接的連接，實現資料的雙向傳輸。

  3. 支援多種協定：Java 的 Socket API 支援多種網路協定，最常用的是 TCP（傳輸控制協定）和 UDP（使用者資料包協定）。

  4. 跨平台兼容：Java 的 Socket 程式設計提供跨平台的一致性，使得開發者可以編寫一次程式碼，在不同的作業系統上運行。

2. Socket 的基本概念

IP 位址和連接埠

  1. IP 位址：
  2. IP 位址是用來識別網路上每個裝置的唯一標識符。
  3. IPv4 使用 32 位元表示（如 192.168.1.1），而 IPv6 使用 128 位元表示。

  4. 在 Java 中，可以使用 InetAddress 類別來處理 IP 位址。

  5. 連接埠（Port）：

  6. 連接埠是一個 16 位元的數字，用於識別特定的網路服務或程序。
  7. 連接埠範圍從 0 到 65535。
  8. 常見的連接埠：HTTP（80），HTTPS（443），FTP（21）等。

Socket 類別簡介

Java 提供 java.net.Socket 類別來實現 TCP 通訊，以及 java.net.DatagramSocket 類別來實現 UDP 通訊。

  1. java.net.Socket：
  2. 用於建立客戶端 TCP 連接。

  3. 主要方法包括：

    • connect(SocketAddress endpoint)：連接到指定的伺服器。
    • getInputStream()：獲取輸入串流。
    • getOutputStream()：獲取輸出串流。
    • close()：關閉 Socket 連接。

  4. java.net.ServerSocket：

  5. 用於建立伺服器端 TCP 監聽。

  6. 主要方法包括：

    • accept()：等待並接受客戶端連接。
    • close()：關閉伺服器 Socket。

  7. java.net.DatagramSocket：

  8. 用於 UDP 通訊。
  9. 主要方法包括：
    • send(DatagramPacket p)：發送資料包。
    • receive(DatagramPacket p)：接收資料包。

3. TCP Socket 程式設計

TCP（傳輸控制協定）是一種可靠的、面向連接的協定。在 Java 中，我們使用 java.net.Socket 和 java.net.ServerSocket 類別來實現 TCP 通訊。

建立 TCP 伺服器

建立一個 TCP 伺服器的基本步驟如下：

  1. 建立 ServerSocket 物件，指定監聽的連接埠。
  2. 呼叫 accept() 方法等待客戶端連接。
  3. 當客戶端連接時，獲取輸入和輸出串流。
  4. 處理客戶端請求。
  5. 關閉連接。

以下是簡單的 TCP 伺服器範例：

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

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(6789);
            System.out.println("Server is listening on port 6789");
            while (true) {
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                System.out.println("Client connected: " + clientSocket.getInetAddress());

                BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);

                String inputLine;
                while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                    System.out.println("Received: " + inputLine);
                    out.println("Server received: " + inputLine);
                }

                clientSocket.close();
            }
        } finally {
            if (serverSocket != null) serverSocket.close();
        }
    }
}

建立 TCP 客戶端

建立一個 TCP 客戶端的基本步驟如下：

  1. 建立 Socket 物件，指定伺服器的 IP 位址和連接埠。
  2. 獲取輸入和輸出串流。
  3. 發送請求並接收回應。
  4. 關閉連接。

以下是簡單的 TCP 客戶端範例：

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

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = null;
        try {
            socket = new Socket("localhost", 6789);
            PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

            String userInput;
            while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {
                out.println(userInput);
                System.out.println("Server response: " + in.readLine());
            }
        } finally {
            if (socket != null) socket.close();
        }
    }
}

實作範例

讓我們來看一個完整的 TCP 伺服器和客戶端通訊的範例，實現簡單的回音（Echo）服務，客戶端發送訊息，伺服器將接收到的訊息回傳給客戶端。

伺服器端程式碼：

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

public class EchoServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(6789);
            System.out.println("Echo Server is listening on port 6789");
            while (true) {
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                System.out.println("Client connected: " + clientSocket.getInetAddress());

                BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);

                String inputLine;
                while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                    System.out.println("Echoing: " + inputLine);
                    out.println(inputLine);
                }

                clientSocket.close();
            }
        } finally {
            if (serverSocket != null) serverSocket.close();
        }
    }
}

客戶端程式碼：

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

public class EchoClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = null;
        try {
            socket = new Socket("localhost", 6789);
            PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

            String userInput;
            System.out.println("Enter messages to echo (type 'exit' to quit):");
            while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {
                if ("exit".equalsIgnoreCase(userInput)) break;
                out.println(userInput);
                System.out.println("Echo: " + in.readLine());
            }
        } finally {
            if (socket != null) socket.close();
        }
    }
}

4. UDP Socket 程式設計

UDP（使用者資料包協定）是一種無連接的傳輸協定，相較於 TCP，更輕量但不保證資料的可靠傳輸。
在 Java 中，我們使用 java.net.DatagramSocket 和 java.net.DatagramPacket 類別來實現 UDP 通訊。

建立 UDP 伺服器

建立一個 UDP 伺服器的基本步驟如下：

  1. 建立 DatagramSocket 物件，指定監聽的連接埠。
  2. 建立 DatagramPacket 物件來接收資料。
  3. 使用 receive() 方法接收資料包。
  4. 處理接收到的資料。
  5. 如果需要回應，建立新的 DatagramPacket 並使用 send() 方法發送。

以下是簡單的 UDP 伺服器範例：

import java.net.*;

public class UDPServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9876);
        byte[] receiveData = new byte[1024];

        while(true) {
            DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
            socket.receive(receivePacket);
            String sentence = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());
            System.out.println("RECEIVED: " + sentence);

            InetAddress IPAddress = receivePacket.getAddress();
            int port = receivePacket.getPort();
            String capitalizedSentence = sentence.toUpperCase();
            byte[] sendData = capitalizedSentence.getBytes();
            DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, IPAddress, port);
            socket.send(sendPacket);
        }
    }
}

建立 UDP 客戶端

建立一個 UDP 客戶端的基本步驟如下：

  1. 建立 DatagramSocket 物件。
  2. 建立 DatagramPacket 物件，包含要發送的資料、目標 IP 和連接埠。
  3. 使用 send() 方法發送資料包。
  4. 如果需要接收回應，使用 receive() 方法。

以下是簡單的 UDP 客戶端範例：

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

public class UDPClient {
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        BufferedReader inFromUser = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        DatagramSocket clientSocket = new DatagramSocket();
        InetAddress IPAddress = InetAddress.getByName("localhost");
        byte[] sendData = new byte[1024];
        byte[] receiveData = new byte[1024];

        System.out.println("Enter a message:");
        String sentence = inFromUser.readLine();
        sendData = sentence.getBytes();
        DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, IPAddress, 9876);
        clientSocket.send(sendPacket);

        DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
        clientSocket.receive(receivePacket);
        String modifiedSentence = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());
        System.out.println("FROM SERVER:" + modifiedSentence);
        clientSocket.close();
    }
}

實作範例

將實現一個簡單的時間查詢服務，客戶端發送請求，伺服器回傳當前時間。

伺服器端程式碼：

import java.net.*;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class TimeServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9876);
        byte[] receiveData = new byte[1024];

        while(true) {
            DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
            socket.receive(receivePacket);

            SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
            String currentTime = formatter.format(new Date());

            InetAddress IPAddress = receivePacket.getAddress();
            int port = receivePacket.getPort();
            byte[] sendData = currentTime.getBytes();
            DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, IPAddress, port);
            socket.send(sendPacket);
        }
    }
}

客戶端程式碼：

import java.net.*;

public class TimeClient {
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        DatagramSocket clientSocket = new DatagramSocket();
        InetAddress IPAddress = InetAddress.getByName("localhost");
        byte[] sendData = new byte[1024];
        byte[] receiveData = new byte[1024];

        String sentence = "GET_TIME";
        sendData = sentence.getBytes();
        DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, IPAddress, 9876);
        clientSocket.send(sendPacket);

        DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
        clientSocket.receive(receivePacket);
        String time = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());
        System.out.println("Current time from server: " + time);
        clientSocket.close();
    }
}

5. Socket 程式設計的實踐

錯誤處理

  1. 使用 try-with-resources：自動關閉資源，避免資源洩漏。
  2. 適當的例外處理：捕捉並處理可能發生的網路相關例外。
  3. 優雅地處理連接中斷：實現重連機制或適當的錯誤回饋。

資源管理

  1. 及時關閉 Socket：不再使用時立即關閉 Socket 連接。
  2. 使用連接池：對於高併發的應用，考慮使用連接池來管理 Socket 連接。
  3. 設置超時：為 Socket 操作設置適當的超時時間，避免無限等待。

效能考量

  1. 使用緩衝區：適當使用緩衝區可以提高 I/O 效率。
  2. 非阻塞 I/O：考慮使用 NIO（New I/O）來實現非阻塞操作，提高並發處理能力。
  3. 資料序列化：選擇高效的資料序列化方式，如 Protocol Buffers 或 JSON。

安全性

  1. 加密通訊：使用 SSL/TLS 加密敏感資料的傳輸。
  2. 驗證連接：實現適當的身份驗證機制。
  3. 防止 DoS 攻擊：實現連接限制和超時機制。

程式碼範例

以下是結合上述的實踐建議所撰寫的簡單 TCP 伺服器範例：

import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.concurrent.*;
import javax.net.ssl.*;
import java.security.*;

public class BestPracticeTCPServer {
    private static final int PORT = 8888;
    private static final int TIMEOUT = 30000; // 30 seconds
    private static final int MAX_CONNECTIONS = 100;

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(MAX_CONNECTIONS);

        try (ServerSocket serverSocket = createSSLServerSocket()) {
            serverSocket.setSoTimeout(TIMEOUT);
            System.out.println("Server is listening on port " + PORT);

            while (true) {
                try {
                    Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                    executor.submit(new ClientHandler(clientSocket));
                } catch (SocketTimeoutException e) {
                    System.out.println("Timeout waiting for connection, continuing...");
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("Could not listen on port " + PORT);
            e.printStackTrace();
        } finally {
            executor.shutdown();
        }
    }

    private static SSLServerSocket createSSLServerSocket() throws IOException {
        try {
            // 加載金鑰庫
            KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("JKS");
            keyStore.load(new FileInputStream("keystore.jks"), "keystorepassword".toCharArray());

            // 創建並初始化金鑰管理器
            KeyManagerFactory kmf = KeyManagerFactory.getInstance(KeyManagerFactory.getDefaultAlgorithm());
            kmf.init(keyStore, "keystorepassword".toCharArray());

            // 創建並初始化 SSL 上下文
            SSLContext sslContext = SSLContext.getInstance("TLS");
            sslContext.init(kmf.getKeyManagers(), null, null);

            // 創建 SSL 伺服器 socket
            SSLServerSocketFactory sslServerSocketFactory = sslContext.getServerSocketFactory();
            return (SSLServerSocket) sslServerSocketFactory.createServerSocket(PORT);
        } catch (Exception e) {
            throw new IOException("Failed to create SSL server socket", e);
        }
    }

    private static class ClientHandler implements Runnable {
        private final Socket clientSocket;

        public ClientHandler(Socket socket) {
            this.clientSocket = socket;
        }

        @Override
        public void run() {
            try (
                BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true)
            ) {
                String inputLine;
                while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                    System.out.println("Received: " + inputLine);
                    out.println("Server received: " + inputLine);
                    if ("bye".equalsIgnoreCase(inputLine)) {
                        break;
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                System.err.println("Error handling client: " + e.getMessage());
            } finally {
                try {
                    clientSocket.close();
                } catch (IOException e) {
                    System.err.println("Error closing client socket: " + e.getMessage());
                }
            }
        }
    }
}

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