CAPITULO 5. SOCKETS Una de las grandes potencias del lenguaje de programación Java es la total portabilidad de sus programas gracias a su "máquina virtual". Esto adquiere una importancia aún mayor en Internet donde existen tipos de computadoras muy diferentes. Las siguientes bibliotecas de la API de Java contienen una serie de clases que son interesantes de cara a la creación de aplicaciones que trabajen en red. Las más importantes son: java.applet: Da soporte a las applets. java.net: Clases para redes. Dan acceso a TCP/IP, sockets y URLs. Existen otras bibliotecas más complejas, orientadas también a la programación como son las siguientes: java.sql: Paquete que contiene el JDBC, para conexión de programas Java con Bases de datos. java.rmi: Paquete RMI, para localizar objetos remotos, comunicarse con ellos e incluso enviar objetos como parámetros de un objeto a otro. org.omg.corba: Facilita la posibilidad de utilizar OMG CORBA, para la conexión entre objetos distribuidos, aunque estén codificados en distintos lenguajes. org.omb.cosnaming : Da servicio al IDL de Java, similar al RMI pero en CORBA. Una de las características de Java que lo hacen especialmente interesante para Internet es que sus programas objeto (códigos de byte) son verificables para poder detectar posibles virus en sus contenidos. Estos programas Códigos de byte no necesitan ser recompilados, y una vez verificados (pues Java trabaja con nombres no con direcciones), se transforman en direcciones físicas de la máquina destino. M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 109
Figura 1. : Ejecución de un código de byte Esta forma de trabajar cuida la seguridad sin un grave perjuicio de la eficiencia. Un programa en Java es sólo unas 20 veces más lento que uno programado en C, cifra aceptable para la mayoría de las tareas, y suponiendo que no se utilice un compilador JIT. El paquete java.net Java ofrece un conjunto de clases que permiten utilizar los URLs (Uniform Resource Locators). Un URL es una dirección electrónica que permite encontrar una información en Internet especificando: El nombre del protocolo que permitirá leer la información. Por ejemplo HTTP. El nombre del servidor que proporciona la información. Por ejemplo sunsite.unc.edu o bien una dirección IP directamente. El nombre del fichero en el servidor. Por ejemplo /Javafaq/Javafaq.htm. 5.1 Fundamentos Los sockets son un sistema de comunicación entre procesos de diferentes máquinas de una red. Más exactamente, un socket es un punto de comunicación por el cual un proceso puede emitir o recibir información. Fueron popularizados por Berckley Software Distribution, de la universidad norteamericana de Berkley. Los sockets han de ser capaces de utilizar el protocolo de streams TCP (Transfer Contro Protocol) y el de datagramas UDP (User Datagram Protocol). Utilizan una serie de primitivas para establecer el punto de comunicación, para conectarse a una máquina remota en un determinado puerto que esté disponible, para escuchar en él, para leer o escribir y publicar información en él, y finalmente para desconectarse. Con todas primitivas se puede crear un sistema de diálogo muy completo. M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 110
Imagen 10: Funcionamiento de una conexión socket Los sockets son puntos finales de enlaces de comunicaciones entre procesos. Los procesos los tratan como descriptores de ficheros, de forma que se pueden intercambiar datos con otros procesos transmitiendo y recibiendo a través de sockets. El tipo de sockets describe la forma en la que se transfiere información a través de ese socket. Sockets Stream (TCP, Transport Control Protocol) Son un servicio orientado a conexión donde los datos se transfieren sin encuadrarlos en registros o bloques. Si se rompe la conexión entre los procesos, éstos serán informados. El protocolo de comunicaciones con streams es un protocolo orientado a conexión, ya que para establecer una comunicación utilizando el protocolo TCP, hay que establecer en primer lugar una conexión entre un par de sockets. Mientras uno de los sockets atiende peticiones de conexión (servidor), el otro solicita una conexión M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 111
(cliente). Una vez que los dos sockets estén conectados, se pueden utilizar para transmitir datos en ambas direcciones. Sockets Datagrama (UDP, User Datagram Protocol) Son un servicio de transporte sin conexión. Son más eficientes que TCP, pero no está garantizada la fiabilidad. Los datos se envían y reciben en paquetes, cuya entrega no está garantizada. Los paquetes pueden ser duplicados, perdidos o llegar en un orden diferente al que se envió. El protocolo de comunicaciones con datagramas es un protocolo sin conexión, es decir, cada vez que se envíen datagramas es necesario enviar el descriptor del socket local y la dirección del socket que debe recibir el datagrama. Como se puede ver, hay que enviar datos adicionales cada vez que se realice una comunicación. Sockets Raw Son sockets que dan acceso directo a la capa de software de red subyacente o a protocolos de más bajo nivel. Se utilizan sobre todo para la depuración del código de los protocolos. Diferencias entre Sockets Stream y Datagrama Ahora se nos presenta un problema, qué protocolo, o tipo de sockets, debemos usar - UDP o TCP? La decisión depende de la aplicación cliente/servidor que estemos escribiendo. Vamos a ver algunas diferencias entre los protocolos para ayudar en la decisión. En UDP, cada vez que se envía un datagrama, hay que enviar también el descriptor del socket local y la dirección del socket que va a recibir el datagrama, luego éstos son más grandes que los TCP. Como el protocolo TCP está orientado a conexión, tenemos que establecer esta conexión entre los dos sockets antes de nada, lo que implica un cierto tiempo empleado en el establecimiento de la conexión, que no existe en UDP. En UDP hay un límite de tamaño de los datagramas, establecido en 64 kilobytes, que se pueden enviar a una localización determinada, mientras que TCP no tiene límite; una vez que se ha establecido la conexión, el par de sockets funciona como los streams: todos los datos se leen inmediatamente, en el mismo orden en que se van recibiendo. UDP es un protocolo desordenado, no garantiza que los datagramas que se hayan enviado sean recibidos en el mismo orden por el socket de recepción. Al contrario, TCP es un protocolo ordenado, garantiza que todos los paquetes que se envíen serán recibidos en el socket destino en el mismo orden en que se han enviado. M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 112
Los datagramas son bloques de información del tipo lanzar y olvidar. Para la mayoría de los programas que utilicen la red, el usar un flujo TCP en vez de un datagrama UDP es más sencillo y hay menos posibilidades de tener problemas. Sin embargo, cuando se requiere un rendimiento óptimo, y está justificado el tiempo adicional que supone realizar la verificación de los datos, los datagramas son un mecanismo realmente útil. En resumen, TCP parece más indicado para la implementación de servicios de red como un control remoto (rlogin, telnet) y transmisión de ficheros (ftp); que necesitan transmitir datos de longitud indefinida. UDP es menos complejo y tiene una menor sobrecarga sobre la conexión; esto hace que sea el indicado en la implementación de aplicaciones cliente/servidor en sistemas distribuidos montados sobre redes de área local. B. Ejemplo de uso Para comprender el funcionamiento de los sockets no hay nada mejor que estudiar un ejemplo. El que a continuación se presenta establece un pequeño diálogo entre un programa servidor y sus clientes, que intercambiarán cadenas de información. a.) Programa Cliente El programa cliente se conecta a un servidor indicando el nombre de la máquina y el número puerto (tipo de servicio que solicita) en el que el servidor está instalado. Una vez conectado, lee una cadena del servidor y la escribe en la pantalla: import java.io.*; import java.net.*; class Cliente static final String HOST = "localhost"; static final int PUERTO=5000; public Cliente( ) try Socket skcliente = new Socket( HOST, Puerto ); InputStream aux = skcliente.getinputstream(); DataInputStream flujo = new DataInputStream( aux ); System.out.println( flujo.readutf() ); skcliente.close(); M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 113
catch( Exception e ) System.out.println( e.getmessage() ); public static void main( String[] arg ) new Cliente(); En primer lugar se crea el socket denominado skcliente, al que se le especifican el nombre de host (HOST) y el número de puerto (PORT) en este ejemplo constantes. Luego se asocia el flujo de datos de dicho socket (obtenido mediante getinputstream)), que es asociado a un flujo (flujo) DataInputStream de lectura secuencial. De dicho flujo capturamos una cadena ( readutf() ), y la imprimimos por pantalla (System.out). El socket se cierra, una vez finalizadas las operaciones, mediante el método close(). Debe observarse que se realiza una gestión de excepción para capturar los posibles fallos tanto de los flujos de datos como del socket. b.) Programa Servidor El programa servidor se instala en un puerto determinado, a la espera de conexiones, a las que tratará mediante un segundo socket. Cada vez que se presenta un cliente, le saluda con una frase "Hola cliente N". Este servidor sólo atenderá hasta tres clientes, y después finalizará su ejecución, pero es habitual utilizar bucles infinitos ( while(true) ) en los servidores, para que atiendan llamadas continuamente. Tras atender cuatro clientes, el servidor deja de ofrecer su servicio: import java.io.* ; import java.net.* ; class Servidor static final int PUERTO=5000; M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 114
public Servidor( ) try ServerSocket skservidor = new ServerSocket( PUERTO ); System.out.println("Escucho el puerto " + PUERTO ); for ( int numcli = 0; numcli < 3; numcli++; ) Socket skcliente = skservidor.accept(); // Crea objeto System.out.println("Sirvo al cliente " + numcli); OutputStream aux = skcliente.getoutputstream(); DataOutputStream flujo= new DataOutputStream( aux ); flujo.writeutf( "Hola cliente " + numcli ); skcliente.close(); System.out.println("Demasiados clientes por hoy"); catch( Exception e ) System.out.println( e.getmessage() ); public static void main( String[] arg ) new Servidor(); Utiliza un objeto de la clase ServerSocket (skservidor), que sirve para esperar las conexiones en un puerto determinado (PUERTO), y un objeto de la clase Socket (skcliente) que sirve para gestionar una conexión con cada cliente. M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 115
Mediante un bucle for y la variable numcli se restringe el número de clientes a tres, con lo que cada vez que en el puerto de este servidor aparezca un cliente, se atiende y se incrementa el contador. Para atender a los clientes se utiliza la primitiva accept() de la clase ServerSocket, que es una rutina que crea un nuevo Socket (skcliente) para atender a un cliente que se ha conectado a ese servidor. Se asocia al socket creado (skcliente) un flujo (flujo) de salida DataOutputStream de escritura secuencial, en el que se escribe el mensaje a enviar al cliente. El tratamiento de las excepciones es muy reducido en nuestro ejemplo, tan solo se captura e imprime el mensaje que incluye la excepción mediante getmessage(). c.) Ejecución Aunque la ejecución de los sockets está diseñada para trabajar con ordenadores en red, en sistemas operativos multitarea (por ejemplo Windows y UNIX) se puede probar el correcto funcionamiento de un programa de sockets en una misma máquina. Para ellos se ha de colocar el servidor en una ventana, obteniendo lo siguiente: >java Servidor Escucho el puerto 5000 En otra ventana se lanza varias veces el programa cliente, obteniendo: >java Cliente Hola cliente 1 >java cliente Hola cliente 2 >java cliente Hola cliente 3 >java cliente connection refused: no further information Mientras tanto en la ventana del servidor se ha impreso: Sirvo al cliente 1 Sirvo al cliente 2 Sirvo al cliente 3 Demasiados clientes por hoy Cuando se lanza el cuarto de cliente, el servidor ya ha cortado la conexión, con lo que se lanza una excepción. Obsérvese que tanto el cliente como el servidor pueden leer o escribir del socket. Los mecanismos de comunicación pueden ser refinados cambiando la implementación de los sockets, mediante la utilización de las clases abstractas que el paquete java.net provee. Para el caso de CrearCliente necesitamos un servidor como Apache instalado en nuestra máquina que tenga la dirección localhost (127.0.0.1) o cualquier dirección de Internet a la que tengamos acceso y que sirva páginas html. Para el caso de CrearServidor necesitamos un navegador en el cual visualizaremos lo que nos devuelve el servidor. M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 116
Método CrearCliente.- En el método CrearCliente creamos un socket que va a conectar con una dirección de Internet local (127.0.0.1) y con index.html a través del puerto 80. A el socket se le especifican estos parámetros en el constructor. Una vez realizada la conexión obtenemos un DataOutputStream del socket con getoutputstream y escribimos nuestra petición que en nuestro caso es igual a la que realiza el Internet Explorer. En esa corriente de salida escribimos nuestros datos. Después obtenemos un DataInputStream con getinputstream y leemos lo que nos llega que puede ser el texto de una página html. Por último cerramos la conexión con close una vez que no hay más datos que leer. Podemos ver que la creación de un Socket es sencilla y que leer y escribir de un socket es como leer y escribir de un archivo. Método CrearServidor.- En este método vamos a crear un servidor sencillo que va atender los datos de un navegador tal como Internet Explorer. Este servidor va a servir por la dirección 127.0.0.1 que es la de localhost, y por el puerto 80. Estas dos condiciones se especifican al crear el ServerSocket (Ojo con la dirección especificada ya que tiene que existir en la máquina). Una vez creado el ServerSocket se crea un bucle infinito en el cual el método accept espera hasta recibir una conexión. Este método al aceptar la conexión devuelve un Socket que es con el que vamos a realizar la conexión al cliente. Al igual que el método anterior obtenemos un DataInputStream con getinputstream del cual vamos a leer los datos desde el cliente. Los datos recibidos diferirán según el navegador utilizado pero serán parecidos a los que se envían en el ejemplo de CrearCliente. Para conectar con el navegador una vez ejecutado el ejemplo tenemos que introducir en él http://127.0.0.1:80/hola.html y recibiremos de vuelta el contenido del String respuesta. Como el navegador encuentra en la página html la referencia a una imagen gif, realizará una segunda petición pidiendo dicha imagen. 5.2 Ejemplos de Sockets import java.net.*; import java.io.*; import java.util.*; public class Comunicacion public void CrearCliente() Socket conexion=null; DataInputStream entrada=null; DataOutputStream salida=null; String cad=""; byte datosbytes[]=new byte[256]; M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 117
int leido=0; String peticion=""; try conexion=new Socket (InetAddress.getByName ("http://localhost/index.html"), 80); System.out.println("Conectando"); /*Enviamos lo que envía el navegador Internet Explorer al pedir una página*/ peticion="get /index.html HTTP/1.1\n"; peticion+="accept: */*\n"; peticion+="accept-language: es\n"; peticion+="accept-encoding: gzip, deflate\n"; peticion+="user-agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 5.01; Windows NT)\n"; peticion+="host: 127.0.0.1\n"; peticion+="connection: Keep-Alive\n\n"; salida=new DataOutputStream(conexion.getOutputStream()); salida.write(peticion.getbytes()); //Vemos lo que nos envía el Servidor entrada=new DataInputStream(conexion.getInputStream()); try while ((leido=entrada.read(datosbytes,0,256))!=1) if (leido>0) System.out.println (new String(datosBytes,0,(leido-1))); catch (EOFException e) conexion.close(); catch (IOException e) System.out.println(e.toString()); System.out.println("Error al conectar"); public void CrearServidor() //Socket conexion; ServerSocket sck; BufferedReader datos; InputStream Entradadatos; String texto=""; int cliente=0; int leido=0; M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 118
try //Creamos un servidor ServerSocket conexion=new ServerSocket(80,2,InetAddress.getByName("127.0.0.1")); DataInputStream entrada=null; DataOutputStream salida=null; String cad="",body="",respuesta=""; byte bytedata[]=new byte[256]; while (true) ++cliente; Socket conex=conexion.accept(); entrada=new DataInputStream(conex.getInputStream()); System.out.println("Cliente num "+Integer.toString(cliente)); InetAddress direc=conex.getinetaddress(); System.out.println ("Dirección de llamada"+direc.gethostaddress()); cad=""; leido=entrada.read(bytedata); if (leido>0) cad=new String(bytedata,0,(leido-1)); //Sacamos lo que hemos recibido desde el cliente System.out.println("Recibido desde cliente"); System.out.println(cad); salida=new DataOutputStream(conex.getOutputStream()); body+="<html>\n"; body+="<body>\n"; body+="<h1>hola que tal!</h1>\n"; body+="<image src='barra.gif'>\n"; body+="</body>\n"; body+="</html>\n"; if (cad.indexof("barra.gif")>=0) respuesta="http/1.0 200 OK\n"; respuesta+="date: Mon, 5 Nov 2001 23:59:59GMT\n"; respuesta+="content-type: image/gif\n"; respuesta+="content-length: 112\n\n"; //Hay que añadir la imagen //Escribimos la respuesta al cliente salida.write(respuesta.getbytes()); salida.flush(); try FileInputStream imagen=new FileInputStream("barra.gif"); while((leido=imagen.read(bytedata,0,256))!=-1) salida.write(bytedata,0,leido); M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 119
salida.flush(); catch (IOException e) else if (cad.indexof("hola.html")>=0) respuesta="http/1.0 200 OK\n"; respuesta+="date: Mon, 5 Nov 2001 23:59:59 GMT\n"; respuesta+="content-type: text/html\n"; respuesta+="content- Length:"+Integer.toString(body.length())+"\n\n"; respuesta+=body; //Escribimos la respuesta al cliente salida.writebytes(respuesta); salida.flush(); else respuesta="http/1.0 404 Error no encontrado\n"; respuesta+="date: Mon, 5 Nov 2001 23:59:59 GMT\n"; respuesta+="content-type: text/html\n"; respuesta+="content- Length:"+Integer.toString( body.length())+"\n\n"; respuesta+="no se ha encontrado el documento"; //Escribimos la respuesta al cliente salida.writebytes(respuesta); salida.flush(); //Cerramos el Socket conex.close(); catch (IOException e) System.out.println(e.toString()); System.out.println("Error al conectar"); public static void main(string[] args) Comunicacion Comuc =new Comunicacion(); Comuc.CrearServidor(); //Comuc.CrearCliente(); //Comuc.pruebaURL(); M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 120
Los ejemplos demuestran a pesar de su sencillez la potencia del Java y la sencillez de sus clases. El ejemplo del servidor se puede perfeccionar para que acepte varias conexiones simultáneas a través de varios procesos o para que responda diferentes formas diferentes según la información pedida, etc. A partir del ejemplo expuesto debe ser el lector el que desarrolle los ejemplos y que vea cuales son los métodos de las clases y como se comportan en realidad. También se recomienda ver la clase URL que permite la conexión a través de diferentes protocolos (http, ftp, etc) especificando la dirección URL de un recurso. What Is a Socket? Normally, a server runs on a specific computer and has a socket that is bound to a specific port number. The server just waits, listening to the socket for a client to make a connection request. On the client-side: The client knows the hostname of the machine on which the server is running and the port number to which the server is connected. To make a connection request, the client tries to rendezvous with the server on the server's machine and port. If everything goes well, the server accepts the connection. Upon acceptance, the server gets a new socket bound to a different port. It needs a new socket (and consequently a different port number) so that it can continue to listen to the original socket for connection requests while tending to the needs of the connected client. M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 121
On the client side, if the connection is accepted, a socket is successfully created and the client can use the socket to communicate with the server. Note that the socket on the client side is not bound to the port number used to rendezvous with the server. Rather, the client is assigned a port number local to the machine on which the client is running. The client and server can now communicate by writing to or reading from their sockets. Definition: A socket is one endpoint of a two-way communication link between two programs running on the network. A socket is bound to a port number so that the TCP layer can identify the application that data is destined to be sent. The java.net package in the Java platform provides a class, Socket, that implements one side of a two-way connection between your Java program and another program on the network. The Socket class sits on top of a platform-dependent implementation, hiding the details of any particular system from your Java program. By using the java.net.socket class instead of relying on native code, your Java programs can communicate over the network in a platform-independent fashion. Additionally, java.net includes the ServerSocket class, which implements a socket that servers can use to listen for and accept connections to clients. This lesson shows you how to use the Socket and ServerSocket classes. If you are trying to connect to the Web, the URL class and related classes (URLConnection, URLEncoder) are probably more appropriate than the socket classes. In fact, URLs are a relatively high-level connection to the Web and use sockets as part of the underlying implementation. See Working with URLs for information about connecting to the Web via URLs. M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 122
BIBLIOGRAFIA 1. J.E. Pérez Martínez "Programación Concurrente" 2ª Edición Ed Rueda (1990). 2. J.T. Palma Méndez, M.C. Garrido, F. Sánchez Figeroa y A. Quesada "Programación Concurrente" Ed. Thomson (2003). 3. "Programación Concurrente en Java TM" Ed. Addison-Wesley (2000). URL S: http://ima.udg.es/docencia/02-03/3105100333/index.html http://www.tlm.unavarra.es/~daniel/docencia/labtel/guion.pdf http://weblidi.info.unlp.edu.ar/catedras/concurrente/teorias.html M.E Carmen Cerón G Programación Concurrente 123