Lập trình Socket cho giao thức TCP

Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

119
Chương 6
Lập trình Socket cho giao thức TCP

1. Mô hình client/server
Mô hình được phổ biến nhất và được chấp nhận rộng rãi trong các hệ thống phân tán
là mô hình client/server. Trong mô hình này sẽ có một tập các tiến trình mà mỗi tiến trình
đóng vai trò như là một trình quản lý tài nguyên cho một tập hợp các tài nguyên cho trước và
một tập hợp các tiến trình client trong đó mỗi tiến trình thực hiện một tác vụ nào đó cần truy
xuất tới tài nguyên phần cứng hoặc phần mềm dùng chung. Bản thân các trình quản lý tài
nguyên cần phải truy xuất tới các tài nguyên dùng chung được quản lý bởi một tiến trình
khác, vì vậy một số tiến trình vừa là tiến trình client vừa là tiến trình server. Các tiến trình
phát ra các yêu cầu tới các server bất kỳ khi nào chúng cần truy xuất tới một trong các tài
nguyên của các server. Nếu yêu cầu là đúng đắn thì server sẽ thực hiện hành động được
yêu cầu và gửi một đáp ứng trả lời tới tiến trình client.
Mô hình client/server cung cấp một cách tiếp cận tổng quát để chia sẻ tài nguyên
trong các hệ thống phân tán. Mô hình này có thể được cài đặt bằng rất nhiều môi trường
phần cứng và phần mềm khác nhau. Các máy tính được sử dụng để chạy các tiến trình
client/server có nhiều kiểu khác nhau và không cần thiết phải phân biệt giữa chúng; cả tiến
trình client và tiến trình server đều có thể chạy trên cùng một máy tính. Một tiến trình server
có thể sử dụng dịch vụ của một server khác.
Mô hình truyền tin client/server hướng tới việc cung cấp dịch vụ. Quá trình trao đổi dữ
liệu bao gồm:
1. Truyền một yêu cầu từ tiến trình client tới tiến trình server
2. Yêu cầu được server xử lý
3. Truyền đáp ứng cho client
Mô hình truyền tin này liên quan đến việc truyền hai thông điệp và một dạng đồng bộ
hóa cụ thể giữa client và server. Tiến trình server phải nhận thức được thông điệp được yêu
cầu ở bước một ngay khi nó đến và hành động phát ra yêu cầu trong client phải được tạm

dừng (bị phong tỏa) và buộc tiến trình client ở trạng thái chờ cho tớ khi nó nhận được đáp
ứng do server gửi về ở bước ba.
Mô hình client/server thường được cài đặt dựa trên các thao tác cơ bản là gửi (send)
và nhận (receive).
Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

120

Hình 4.1
Quá trình giao tiếp client và server có thể diễn ra theo một t rong hai chế độ: bị phong
tỏa (blocked) và không bị phong tỏa (non-blocked).
Chế độ bị phong tỏa (blocked):
Trong chế độ bị phong tỏa, khi tiến trình client hoặc server phát ra lệnh gửi dữ liệu
(send), việc thực thi của tiến trình sẽ bị tạm ngừng cho tới khi tiến trình nhận phát ra lệnh
nhận dữ liệu (receive).
Tương tự đối với tiến trình nhận dữ liệu, nếu tiến trình nào đó (client hoặc server) phát
ra lệnh nhận dữ liệu, mà tại thời điểm đó chưa có dữ liệu gửi tới thì việc thực thi của tiến
trình cũng sẽ bị tạm ngừng cho tới khi có dữ liệu gửi tới.
Chế độ không bị phong tỏa (non-blocked)
Trong chế độ này, khi tiến trình client hay server phát ra lệnh gửi dữ liệu thực sự, việc
thực thi của tiến trình vẫn được tiến hành mà không quan tâm đến việc có tiến trình nào phát
ra lệnh nhận dữ liệu đó hay không.
Tương tự cho trường hợp nhận dữ liệu, khi tiến trình phát ra lệnh nhận dữ liệu, nó sẽ
nhận dữ liệu hiện có, việc thực thi của tiến trình vẫn được tiến hành mà không quan tâm đến
việc có tiến trình nào phát ra lệnh gửi dữ liệu tiếp theo hay không.
2. Các kiến trúc Client/Server
2.1. Client/Server hai tầng (two-tier client/server)
Kiến trúc client/server đơn giản nhất là kiến trúc hai tầng. Trong thực tế hầu hết các
kiến trúc client/server là kiến trúc hai tầng. Một ứng dụng hai tầng cung cấp nhiều trạm làm
việc với một tầng trình diễn thống nhất, tầng này truyền tin với tầng lưu trữ dữ liệu tập trung.

Tầng trình diễn thông thường là client, và tầng lưu trữ dữ liệu là server.
Hầu hết các ứng dụng Internet như là email, telnet, ftp thậm chí là cả Web là các ứng
dụng hai tầng. Phần lớn các lập trình viên trình ứng dụng viết các ứng dụng client/server có
xu thế sử dụng kiến trúc này.
Tiến trình đang phong tỏa
Tiến trình đang xử lý Request message
Request message
Reply Execution
Wait
Server
Client
Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

121
Trong ứng dụng hai tầng truyền thống, khối lượng công việc xử lý được dành cho
phía client trong khi server chỉ đơn giản đóng vai trò như là chương trình kiểm soát luồng
vào ra giữa ứng dụng và dữ liệu. Kết quả là không chỉ hiệu năng của ứng dụng bị giảm đi do
tài nguyên hạn chế của PC, mà khối lượng dữ liệu truyền đi trên mạng cũng tăng theo. Khi
toàn bộ ứng dụng được xử lý trên một PC, ứng dụng bắt buộc phải yêu cầu nhiều dữ liệu
trước khi đưa ra bất kỳ kết quả xử lý nào cho người dùng. Nhiều yêu cầu dữ liệu cũng làm
giảm hiệu năng của mạng. Một vấn đề thường gặp khác đối với ứng dụng hai tầng là vấn đề
bảo trì. Chỉ cần một thay đổi nhỏ đối với ứng dụng cũng cần phải thay đổi lại toàn bộ ứng
dụng client và server.

Hình 4.2
2.2. Client/Server ba tầng
Ta có thể tránh được các vấn đề của kiến trúc client/server hai tầng bằng cách mở
rộng kiến trúc thành ba tầng. Một kiến trúc ba tầng có thêm một tầng mới tác biệt việc xử lý
dữ liệu ở vị trí trung tâm.

Hình 4.3


Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

122
Theo kiến trúc ba tầng, một ứng dụng được chia thành ba tầng tách biệt nhau về mặt
logic. Tầng đầu tiên là tầng trình diễn thường bao gồm các giao diện đồ họa. Tầng thứ hai,
còn được gọi là tầng trung gian hay tầng tác nghiệp. Tầng thứ ba chứa dữ liệu cần cho ứng
dụng. Tầng thứ ba về cơ bản là chương trình thực hiện các lời gọi hàm để tìm kiếm dữ liệu
cần thiết. Tầng trình diễn nhận dữ liệu và định dạng nó để hiển thị. Sự tách biệt giữa chức
năng xử lý với giao diện đã tạo nên sự linh hoạt cho việc thiết kế ứng dụng. Nhiều giao diện
người dùng được xây dựng và triển khai mà không làm thay đổi logic ứng dụng.
Tầng thứ ba chứa dữ liệu cần thiết cho ứng dụng. Dữ liệu này có thể bao gồm bất kỳ
nguồn thông tin nào, bao gồm cơ sở dữ liệu như Oracale, SQL Server hoặc tài liệu XML.
2.3. Kiến trúc n-tầng
Kiến trúc n-tầng được chia thành các tầng như sau:
 Tầng giao diện người dùng: quản lý tương tác của người dùng với ứng dụng
 Tầng logic trình diễn: Xác định cách thức hiển thị giao diện người dùng và các yêu
cầu của người dùng được quản lý như thế nào.
 Tầng logic tác nghiệp: Mô hình hóa các quy tắc tác nghiệp,
 Tầng các dịch vụ hạ tầng: Cung cấp một chức năng bổ trợ cần thiết cho ứng dụng
như các thành phần (truyền thông điệp, hỗ trợ giao tác).
3. Mô hình truyền tin socket

Hình 4.4


6

Socket()
Bind()
Listen()

Accept()

Các chức
năng gửi
và nhận
Close()
Socket()
Bind()
Connect()

Các chức
năng gửi
và nhận

Close()
1

3

4

5

7

2

Server

Client
Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

123

Khi lập trình, ta cần quan tâm đến chế độ bị phong tỏa, vì nó có thể dẫn đến tình
huống một tiến trình nào đó sẽ rơi vào vòng lặp vô hạn của quá trình gửi hoặc nhận.

Trong chương 1 chúng ta đã biết hai giao thức TCP và UDP là các giao thức tầng
giao vận để truyền dữ liệu. Mỗi giao thức có những ưu và nhược điểm riêng. Chẳng hạn,
giao thức TCP có độ tin cậy truyền tin cao, nhưng tốc độ truyền tin bị hạn chế do phải có giai
đoạn thiết lập và giải phóng liên kết khi truyền tin, khi gói tin có lỗi hay bị thất lạc thì giao
thức TCP phải có trách nhiệm truyền lại,…Ngược lại, giao thức UDP có tốc độ truyền tin rất
nhanh vì nó chỉ có một cơ chế truyền tin rất đơn giản: không cần phải thiết lập và giải phóng
liên kết. Khi lập trình cho TCP ta sử dụng các socket luồng, còn đối với giao thức UDP ta
sẽ sử dụng lớp DatagramSocket và DatagramPacket.
Truyền tin hướng liên kết nghĩa là cần có giai đoạn thiết lập liên kết và giải phóng liên
kết trước khi truyền tin. Dữ liệu được truyền trên mạng Internet dưới dạng các gói (packet)
có kích thước hữu hạn được gọi là datagram. Mỗi datagram chứa một header và một
payload. Header chứa địa chỉ và cổng cần truyền gói tin đến, cũng như địa chỉ và cổng xuất
phát của gói tin, và các thông tin khác được sử dụng để đảm bảo độ tin cậy truyền tin,
payload chứa dữ liệu. Tuy nhiên do các datagram có chiều dài hữu hạn nên thường phải
phân chia dữ liệu thành nhiều gói và khôi phục lại dữ liệu ban đầu từ các gói ở nơi nhận.
Trong quá trình truyền tin có thể có thể có một hay nhiều gói bị mất hay bị hỏng và cần phải
truyền lại hoặc các gói tin đến không theo đúng trình tự. Để tránh những điều này, việc phân
chia dữ liệu thành các gói, tạo các header, phân tích header của các gói đến, quản lý danh
sách các gói đã nhận được và các gói chưa nhận được, ... rất nhiều công việc cần phải thực

hiện, và đòi hỏi rất nhiều phần mềm phức tạp.
Thật may mắn, ta không cần phải tự thực hiện công việc này. Socket là một cuộc cách
mạng của Berkeley UNIX. Chúng cho phép người lập trình xem một liên kết mạng như là
một luồng mà có thể đọc dữ liệu ra hay ghi dữ liệu vào từ luồng này.
Về mặt lịch sử Socket là một sự mở rộng của một trong những ý tưởng quan trọng
nhất của UNIX: tất cả các thao tác vào/ra giống như vào ra tệp tin đối với người lập trình,
cho dù ta đang làm việc với bàn phím, màn hình đồ họa, một file thông thường, hay một liên
kết mạng. Các Socket che dấu người lập trình khỏi các chi tiết mức thấp của mạng như môi
kiểu đường truyền, các kích thước gói, yêu cầu truyền lại gói, các địa chỉ mạng...
Một socket có thể thực hiện bảy thao tác cơ bản:
 Kết nối với một máy ở xa (ví dụ, chuẩn bị để gửi và nhận dữ liệu)
 Gửi dữ liệu
 Nhận dữ liệu
 Ngắt liên kêt
 Gán cổng
 Nghe dữ liệu đến
 Chấp nhận liên kết từ các máy ở xa trên cổng đã được gán
Lớp Socket của Java được sử dụng bởi cả client và server, có các phương thức
tương ứng với bốn thao tác đầu tiên. Ba thao tác cuối chỉ cần cho server để chờ các client
liên kết với chúng. Các thao tác này được cài đặt bởi lớp ServerSocket. Các socket cho
client thường được sử dụng theo mô hình sau:
 Một socket mới được tạo ra bằng cách sử dụng hàm Socket().
 Socket cố gắng liên kết với một host ở xa.
 Mỗi khi liên kết được thiết lập, các host ở xa nhận các luồng vào và luồng ra từ
socket, và sử dụng các luồng này để gửi dữ liệu cho nhau. Kiểu liên kết này được gọi
Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

124
là song công (full-duplex)-các host có thể nhận và gửi dữ liệu đồng thời. Ý nghĩa của
dữ liệu phụ thuộc vào giao thức.

 Khi việc truyền dữ liệu hoàn thành, một hoặc cả hai phía ngắt liên kết. Một số giao
thức, như HTTP, đòi hỏi mỗi liên kết phải bị đóng sau mỗi khi yêu cầu được phục vụ.
Các giao thức khác, chẳng hạn FTP, cho phép nhiều yêu cầu được xử lý trong một
liên kết đơn.
4
. Socket cho Client
4.1. Các constructor
 public Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException
Hàm này tạo một socket TCP với host và cổng xác định, và thực hiện liên kết với host
ở xa.
Ví dụ:
try{
Socket s = new Socket( “www.vnn.vn”,80);
}
catch(UnknownHostException e){
System.err.println(e);
}
catch(IOException e){
System.err.println(e);
}
Trong hàm này tham số host là hostname kiểu String, nếu host không xác định hoặc
máy chủ tên miền không hoạt động thì constructor đưa ra ngoại lệ UnknownHostException.
Vì một lý do nào đó mà không thể mở được socket thì constructor sẽ đưa ra ngoại lệ
IOException. Có nhiều nguyên nhân khiến cho một liên kết thất bại: host mà ta đang cố gắng
kết nối tới không chấp nhận liên kết, kết nối Internet có thể bị ngắt, hoặc vấn đề định tuyến
có thể ngăn ngừa các gói tin của ta tới đích.
Ví dụ: Viết chương trình để kiểm tra trên 1024 cổng đầu tiên những cổng nào đang có
server hoạt động
import java.net.*;
import java.io.*;

class PortScanner
{
public static void main(String[] args)
{
String host="localhost";
if(args.length>0){
host=args[0];
}
for(int i=0;i<1024;i++){
try{
Socket s=new Socket(host,i);
System.out.println("Co mot server dang hoat dong tren cong:"+i);
Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

125
}
catch(UnknownHostException e){
System.err.println(e);
}
catch(IOException e){
System.err.println(e);
}
}

}
}
 public Socket(InetAddress host, int port)throws IOException
Tương tự như constructor trước, constructor này tạo một socket TCP với thông tin là
địa chỉ của một host được xác định bởi một đối tượng InetAddres và số hiệu cổng
port, sau đó nó thực hiện kết nối tới host. Nó đưa ra ngoại lệ IOException nhưng

không đưa ra ngoại lệ UnknownHostException. Constructor đưa ra ngoại lệ trong
trường hợp không kết nối được tới host.
 public Socket (String host, int port, InetAddress interface, int localPort) throws
IOException, UnknownHostException
Constructor này tạo ra một socket với thông tin là địa chỉ IP được biểu diễn bởi một
đối tượng String và một số hiệu cổng và thực hiện kết nối tới host đó. Socket kết nối
tới host ở xa thông qua một giao tiếp mạng và số hiệu cổng cục bộ được xác định bởi
hai tham số sau. Nếu localPort bằng 0 thì Java sẽ lựa chọn một cổng ngẫu nhiên có
sẵn nằm trong khoảng từ 1024 đến 65535.
 public Socket (InetAddress host, int port, InetAddress interface, int localPort) throws
IOException, UnknownHostException
Constructor chỉ khác constructor trên ở chỗ địa chỉ của host lúc này được biểu diễn
bởi một đối tượng InetAddress.
4.2. Nhận các thông tin về Socket
Đối tượng Socket có một số trường thông tin riêng mà ta có thể truy nhập tới chúng
thông qua các phương thức trả về các thông tin này.
 public InetAddress getInetAddress()
Cho trước một đối tượng Socket, phương thức getInetAddress() cho ta biết host ở xa
mà Socket kết nối tới, hoặc liên kết đã bị ngắt thì nó cho biết host ở xa mà Socket đã
kết nối tới
 public int getPort()
Phương thức này cho biết số hiệu cổng mà Socket kết nối tới trên host ở xa.
 public int getLocalPort()
Thông thường một liên kết thường có hai đầu: host ở xa và host cục bộ. Để tìm ra số
hiệu cổng ở phía host cục bộ ta gọi phương thức getLocalPort().
 public InetAddress getLocalAddress()
Phương thức này cho ta biết giao tiếp mạng nào mà một socket gắn kết với nó.
 public InputStream getInputStream() throws IOException
Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

126
Phương thức geInputStream() trả về một luồng nhập để đọc dữ liệu từ một socket vào
chương trình. Thông thường ta có thể gắn kết luồng nhập thô InputStream tới một
luồng lọc hoặc một luồng ký tự nhằm đưa các chức năng tiện ích (chẳng hạn như các
luồng InputStream, hoặc InputStreamReader). Để tâng cao hiệu năng, ta có thể đệm
dữ liệu bằng cách gắn kết nó với luồng lọc BufferedInputStream hoặc
BufferedReader.
 public OutputStream getOutputStream() throws IOException
Phương thức getOutputStream() trả về một luồng xuất thô để ghi dữ liệu từ ứng dụng
ra đầu cuối của một socket. Thông thường, ta sẽ gắn kết luồng này với một luồng tiện
lợi hơn như lớp DataOuputStream hoặc OutputStreamWriter trước khi sử dụng nó. Để
tăng hiệu quả ghi.
Hai phương thức getInputStream() và getOutputStream() là các phương thức cho
phép ta lấy về các luồng dữ liệu nhập và xuất. Như đã đề cập ở chương 3 vào ra trong Java
được tiến hành thông qua các luồng, việc làm việc với các socket cũng không phải là một
ngoại lệ. Để nhận dữ liệu từ một máy ở xa ta nhận về một luồng nhập từ socket và đọc dữ
liệu từ luồng đó. Để ghi dữ liệu lên một máy ở xa ta nhận về một luồng xuất từ socket và ghi
dữ liệu lên luồng. Dưới đây là hình vẽ để ta hình dung trực quan hơn.








Hình 4.5

4.3. Đóng Socket
Đến thời điểm ta đã có đầy đủ các thông tin cần thiết để triển khai một ứng dụng phía

client. Khi viết một chương trình ứng dụng phía client tất cả mọi công việc đều chuyển về
việc quản lý luồng và chuyển đổi dữ liệu từ luồng thành dạng thức mà người sử dụng có thể
hiểu được. Bản thân các socket rất đơn giản bởi vì các phần việc phức tạp đã được che dấu
đi. Đây chính là lý do để socket trở thành một lựa chọn có tính chiến lược cho lập trình
mạng.
 public void close() throws IOException
Các socket được đóng một cách tự động khi một trong hai luồng đóng lại, hoặc khi
chương trình kết thúc, hoặc khi socket được thu hồi bởi gabbage collector. Tuy nhiên, thực
tế cho thấy việc cho rằng hệ thống sẽ tự đóng socket là không tốt, đặc biệt là khi các
chương trình chạy trong khoảng thời gian vô hạn. Để đóng một socket ta có thể dùng
phương thức close().
Mỗi khi một Socket đã bị đóng lại, ta vẫn có thể truy xuất tới các trường thông tin
InetAddress, địa chỉ cục bộ, và số hiệu cổng cục bộ thông qua các phưong thức
getInetAddress(), getPort(), getLocalHost(), và getLocalPort(). Tuy nhiên khi ta gọi các
phương thức getInputStream() hoặc getOutputStream() để đọc dữ liệu từ luồng đọc
InputStream hoặc ghi dữ liệu OuputStream thì ngoại lệ IOException được đưa ra.


InputStream
OutputStream
Socket
Chương
trình
Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn

127
Các socket đóng một nửa (Half-closed socket)
Phương thức close() đóng cả các luồng nhập và luồng xuất từ socket. Trong một số
trường hợp ta chỉ muốn đóng một nửa kết nối, hoặc là luồng nhập hoặc là luồng xuất. Bắt
đầu từ Java 1.3, các phương thưc shutdownInput() và shutdownOutput() cho phép ta thực

hiện điều này.
 public void shutdownInput() throws IOException
 public void shutdownOutput() throws IOException
Các phương thức này không thực sự ngắt liên kết. Tuy nhiên, nó chỉ điều chỉnh luồng
kết nối tới nó sao cho.
Trong Java 1.4 đưa thêm vào hai phương thức các luồng nhập và luồng xuất mở hay
đóng
 public boolean isInputShutdown()
 public boolean isOutputShutdown()
4.4. Thiết lập các tùy chọn cho Socket
4.4.1. TCP_NODELAY
 public void setTcpNoDelay(boolean on) throws SocketException
 public boolean getTcpNoDelay() throws SocketException
Thiết lập giá trị TCP_NODELAY là true để đảm bảo rằng các gói tin được gửi đi nhanh
nhất có thể mà không quan tâm đến kích thước của chúng. Thông thường, các gói tin nhỏ
được kết hợp lại thành các gói tin lớn hơn trước khi được gửi đi. Trước khi gửi đi một gói tin
khác, host cục bộ đợi để nhận các xác thực của gói tin trước đó từ hệ thống ở xa.
4.4.2. SO_LINGER
 public void setSoLinger(boolean on, int seconds) throws SocketException
 public int getSoLinger() throws SocketException
Tùy chọn SO_LINGER xác định phải thực hiện công việc gì với datagram vẫn chưa
được gửi đi khi một socket đã bị đóng lại. Ở chế độ mặc định, phương thức close() sẽ có
hiệu lực ngay lập tức; nhưng hệ thống vẫn cố gắng để gửi phần dữ liệu còn lại. Nếu
SO_LINGER được thiết lập bằng 0, các gói tin chưa được gửi đi bị phá hủy khi socket bị
đóng lại. Nếu SO_LINGER lớn hơn 0, thì phương thức close() phong tỏa để chờ cho dữ liệu
được gửi đi và nhận được xác thực từ phía nhận. Khi hết thời gian qui định, socket sẽ bị
đóng lại và bất kỳ phần dữ liệu còn lại sẽ không được gửi đi.
4.4.3. SO_TIMEOUT
 public void setSoTimeout(int milliseconds) throws SocketException
 public int getSoTimeout() throws SocketException

Thông thường khi ta đọc dữ liệu từ mộ socket, lời gọi phương thức phong tỏa cho tới
khi nhận đủ số byte. Bằng cách thiết lập phương thức SO_TIMEOUT, ta sẽ đảm bảo rằng lời
gọi phương thức sẽ không phong tỏa trong khoảng thời gian quá số giây quy định.
4.5. Các phương thức của lớp Object
Lớp Socket nạp chồng phương thức chuẩn của lớp java.lang.Object, toString(). Vì các
socket là các đối tượng tạm thời và thường chỉ tồn tại khi liên kết tồn tại.
 public String toString()
Phương thức toString() tạo ra một xâu ký tự như sau:
Socket[addr=www.oreilly.com/198.122.208.11,port=80,localport=50055]
Phương thức này thường hữu ích cho việc gỡ rối.