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1 SOCKETS EN JAVA
La programación en red siempre ha sido dificultosa, el programador debía de conocer la mayoría de los detalles de la red, incluyendo el hardware utilizado, los distintos niveles en que se divide la capa de red, las librerías necesarias para programar en cada capa, etc.
Pero, la idea simplemente consiste en obtener información desde otra maquina, aportada por otra aplicación software. Por lo tanto, de cierto modo se puede reducir al mero hecho de leer y escribir archivos, con ciertas salvedades.
El sistema de Entrada/Salida de Unix sigue el paradigma que normalmente se designa como Abrir-Leer-Escribir-Cerrar. Antes de que un proceso de usuario pueda realizar operaciones de entrada/salida, debe hacer una llamada a Abrir (open) para indicar, y obtener los permisos del fichero o dispositivo que se desea utilizar.
Una vez que el fichero o dispositivo se encuentra abierto, el proceso de usuario realiza una o varias llamadas a Leer (read) y Escribir (write), para la lectura y escritura de los datos.
El proceso de lectura toma los datos desde el objeto y los transfiere al proceso de usuario, mientras que el de escritura los transfiere desde el proceso de usuario al objeto. Una vez concluido el intercambio de información, el proceso de usuario llamará a Cerrar (close) para informar al sistema operativo que ha finalizado la utilización del fichero o dispositivo.
En Unix, un proceso tiene un conjunto de descriptores de entrada/salida desde donde leer y por donde escribir. Estos descriptores pueden estar referidos a ficheros, dispositivos, o canales de comunicaciones sockets.
El ciclo de vida de un descriptor, aplicado a un canal de comunicación (por ejemplo, un socket ), está determinado por tres fases :
- Creación, apertura del socket
- Lectura y Escritura, recepción y envío de datos por el socket
- Destrucción, cierre del socket
La interface IPC en Unix-BSD está implementada sobre los protocolos de red TCP y UDP. Los destinatarios de los mensajes se especifican como direcciones de socket ; cada dirección de socket es un identificador de comunicación que consiste en una dirección Internet y un número de puerto.
Las operaciones IPC se basan en pares de sockets. Se intercambian información transmitiendo datos a través de mensajes que circulan entre un socket en un proceso y otro socket en otro proceso. Cuando los mensajes son enviados, se encolan en el socket hasta que el protocolo de red los haya transmitido. Cuando llegan, los mensajes son encolados en el socket de recepción hasta que el proceso que tiene que recibirlos haga las llamadas necesarias para recoger esos datos.
El lenguaje Java fue desarrollado por la empresa Sun MicroSystems hacia el año 1990, mediante la creación de un grupo de trabajo en cuya cabeza estaba James Gosling. Este grupo de trabajo fue ideado para desarrollar un sistema de control de electrodomésticos y de PDAs o asistentes personales (pequeños ordenadores) y que además tuviese la posibilidad de interconexión a redes de ordenadores. Todo ello implicaba la creación de un hardware polivalente, un sistema operativo eficiente (SunOS) y un lenguaje de desarrollo (Oak). El proyecto concluyó dos años más tarde con un completo fracaso que condujo a la disolución del grupo.
Pero el desarrollo del proyecto relativo al lenguaje oak siguió adelante gracias entre otras cosas a la distribución libre del lenguaje por Internet mediante la incipiente, por aquellos años, World Wide Web. De esta forma el lenguaje alcanzó cierto auge y un gran número de programadores se encargaron de su depuración así como de perfilar la forma y usos del mismo.
El nombre de Java, surgió durante una de las sesiones de brain storming que se celebraban por el equipo de desarrollo del lenguaje. Hubo que cambiar el nombre debido a que ya existía otro lenguaje con el nombre de oak.
Sun MicroSystems lanzó las primeras versiones de Java a principios de 1995, y se han ido sucediendo las nuevas versiones durante estos últimos años, fomentando su uso y extendiendo las especificaciones y su funcionalidad.
Una de las características más importantes de Java es su capacidad y, a la vez, facilidad para realizar aplicaciones que funcionen en red. La mayoría de los detalles de implementación a bajo nivel están ocultos y son tratados de forma transparente por la JVM ( Java Virtual Machine ). Los programas son independientes de la arquitectura y se ejecutan indistintamente en una gran variedad de equipos con diferentes tipos de microprocesadores y sistemas operativos.
2 CLASES PARA LAS COMUNICACIONES DE RED EN JAVA: java.net
En las aplicaciones en red es muy común el paradigma cliente-servidor. El servidor es el que espera las conexiones del cliente (en un lugar claramente definido) y el cliente es el que lanza las peticiones a la maquina donde se está ejecutando el servidor, y al lugar donde está esperando el servidor (el puerto(s) específico que atiende). Una vez establecida la conexión, ésta es tratada como un stream (flujo) típico de entrada/salida.
Cuando se escriben programas Java que se comunican a través de la red, se está programando en la capa de aplicación. Típicamente, no se necesita trabajar con las capas TCP y UDP, en su lugar se puede utilizar las clases del paquete java.net. Estas clases proporcionan comunicación de red independiente del sistema.
A través de las clases del paquete java.net , los programas Java pueden utilizar TCP o UDP para comunicarse a través de Internet. Las clases URL , URLConnection , Socket , y SocketServer utilizan TCP para comunicarse a través de la Red. Las clases DatagramPacket y DatagramServer utilizan UDP.
TCP proporciona un canal de comunicación fiable punto a punto, lo que utilizan para comunicarse las aplicaciones cliente-servidor en Internet. Las clases Socket y ServerSocket del paquete java.net proporcionan un canal de comunicación independiente del sistema utilizando TCP, cada una de las cuales implementa el lado del cliente y el servidor respectivamente.
Así el paquete java.net proporciona, entre otras, las siguientes clases, que son las que se verán con detalle:
- Socket : Implementa un extremo de la conexión TCP.
- ServerSocket : Se encarga de implementar el extremo Servidor de la conexión en la que se esperarán las conexiones de los clientes.
- DatagramSocket : Implementa tanto el servidor como el cliente cuando se utiliza UDP.
- DatagramPacket : Implementa un datagram packet , que se utiliza para la creación de servicios de reparto de paquetes sin conexión.
un array de bytes. Y cuando preparamos un datagrama para ser enviado, el DatagramPacket no sólo debe tener la información, sino que además debe tener la dirección IP y el puerto de destino, que puede coincidir con un puerto TCP.
pulic final class java.net.DatagramPacket extends java.lang.Object A) Constructores: public DatagramPacket(byte ibuf[], int ilength) Implementa un DatagramPacket para la recepción de paquetes de longitud ilength, siendo el valor de este parámetro menor o igual que ibuf.length. public DatagramPacket(byte ibuf[], int ilength, InetAddress iaddr, int iport) Implementa un DatagramPacket para el envío de paquetes de longitud ilength al número de puerto especificado en el parámetro iport, del host especificado en la dirección de destino que se le pasa por medio del parámetro iaddr. B) Métodos: public InetAddress getAddress () Retorna la dirección IP del host al cual se le envía el datagrama o del que el datagrama se recibió. public byte[] getData() Retorna los datos a recibir o a enviar. public int getLength() Retorna la longitud de los datos a enviar o a recibir. public int getPort() Retorna el número de puerto de la máquina remota a la que se le va a enviar el datagrama o del que se recibió.
2.3 STREAM SOCKET (Servicio Orientado a Conexión)
Es 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 (cliente). Una vez que los dos sockets estén conectados, se pueden utilizar para transmitir datos en ambas direcciones.
Permite a las aplicaciones Cliente y Servidor, disponer de un stream que facilita la comunicación entre ambos, obteniéndose una mayor fiabilidad.
El funcionamiento es diferente al anterior ya que cada extremo se comportará de forma diferente, el servidor adopta un papel (inicial) pasivo y espera conexiones de los clientes. Mientras que el cliente adoptará un papel (inicial) activo, solicitando conexiones al servidor.
En la parte del servidor se tiene:
public final class java.net.ServerSocket extends java.lang.Object A) Constructores : public ServerSocket (int port) throws IOException Se crea un socket local al que se enlaza el puerto especificado en el parámetro port, si se especifica un 0 en dicho parámetro creará el socket en cualquier puerto disponible. Puede aceptar hasta 50 peticiones en cola pendientes de conexión por parte de los clientes. public ServerSocket (int port , int count) throws IOException Aquí, el parámetro count sirve para que puede especificarse, el número máximo de peticiones de conexión que se pueden mantener en cola. Hay que recordar, que es fundamental que el puerto escogido sea conocido por el cliente, en caso contrario, no se podría establecer la conexión.
B) Métodos : public Socket accept () throws IOException Sobre un ServerSocket se puede realizar una espera de conexión por parte del cliente mediante el método accept(). Hay que decir, que este método es de bloqueo, el proceso espera a que se realice una conexión por parte del cliente para seguir su ejecución. Una vez que se ha establecido una conexión por el cliente, este método devolverá un objeto tipo Socket, a través del cual se establecerá la comunicación con el cliente. public void close () throws IOException Se encarga de cerrar el socket. public InetAddress getInetAddress () Retorna la dirección IP remota a la cual está conectado el socket. Si no lo está retornará null. public int getLocalPort () Retorna el puerto en el que está escuchando el socket. public static void setSocketImplFactory (SocketImplFactory fac) throws IOException Este método establece la compañía de implementación del socket para la aplicación. Debido a que cuando una aplicación crea un nuevo socket , se realiza una llamada al método createSocketImpl() de la compañía que implementa al socket. Es por tanto en el parámetro fac, donde se especificará la citada compañía. public String toString( ) Retorna un string representando el socket.
En la parte del cliente :
public final class java.net.Socket extends java.lang.Object A) Constructores : public Socket (InetAddress address, int port) throws IOException Crea un StreamSocket y lo conecta al puerto remoto y dirección IP remota especificados. public Socket (InetAddress address, int port , boolean stream) throws IOException Ídem a la anterior incluyendo el parámetro booleano stream que si es true creará un StreamSocket y si es false un DatagramSocket (En desuso). public Socket (String host, int port) throws UnKnownHostException, IOException Crea un StreamSocket y lo conecta al número de puerto y al nombre de host especificados. public Socket (String host , int port , boolean stream) throws IOException Ídem al anterior incluyendo el parámetro booleano stream que si es true creará un StreamSocket y si es false un DatagramSocket (En desuso). B) MÉTODOS : public void close() throws IOException Se encarga de cerrar el socket. public InetAddress getInetAddress () Retorna la dirección IP remota a la que se conecta el socket. public InputStream getInputStream () throws IOException Retorna un input stream para la lectura de bytes desde el socket. public int getLocalPort() Retorna el puerto local al que está conectado el socket. public OutputStream getOutputStream () throws IOException Retorna un output stream para la escritura de bytes hacia el socket. public int getPort () Retorna el puerto remoto al que está conectado el socket. public static void setSocketImplFactory (SocketImplFactory fac) throws IOException Este método establece la compañía de implementación del socket para la aplicación. Debido a que cuando una aplicación crea un nuevo socket , se realiza una llamada al método createSocketImpl( ) de la
3 ENVIO Y RECEPCIÓN A TRAVÉS DE SOCKETS
El servidor creará un socket , utilizando ServerSocket , le asignará un puerto y una dirección, una vez haga el accept para esperar llamadas, se quedará bloqueado a la espera de las mismas. Una vez llegue una llamada el accept creará un Socket para procesarla.
A su vez, cuando un cliente desee establecer una conexión, creará un socket y establecerá una conexión al puerto establecido. Sólo es en este momento, cuando se da una conexión real y se mantendrá hasta su liberación mediante close().
Para poder leer y escribir datos, los sockets disponen de unos stream asociados, uno de entrada ( InputStream ) y otro de salida ( OutputStream ) respectivamente.
Para obtener estos streams a partir del socket utilizaremos :
ObjetoDeTipoSocket.getInputStream () Devuelve un objeto de tipo InputStream. ObjetoDeTipoSocket.getOutputStream () Devuelve un objeto de tipo OutputStream.
Para el envío de datos, puede utilizarse OutputStream directamente en el caso de que se quiera enviar un flujo de bytes sin búfer o también puede crearse un objeto de tipo stream basado en el OutputStream que proporciona el socket.
Figura 1. Esquema de conexión mediante sockets stream.
En Java, crear una conexión socket TCP/IP se realiza directamente con el paquete java.net. En la Figura 1 se muestra un diagrama de lo que ocurre en el lado del cliente y del servidor.
El servidor establece un puerto y espera a que el cliente establezca la conexión. Cuando el cliente solicite una conexión, el servidor abrirá la conexión socket con el método accept().
El cliente establece una conexión con la máquina host a través del puerto que se designe en port #. El cliente y el servidor se comunican con manejadores InputStream y OutputStream
Si se está programando un cliente, el socket se abre de la forma:
Socket miSocket; miSocket= new Socket(host, puerto);
Donde host es el nombre de la máquina sobre la que se está intentando abrir la conexión y puerto es el puerto (un número) que el servidor está atendiendo.
Cuando se selecciona un número de puerto, se debe tener en cuenta que los puertos en el rango 0-1023 están reservados. Estos puertos son los que utilizan los servicios estándar del sistema como email , ftp , http , etc. Por lo que, para aplicaciones de usuario, el programador deberá asegurarse de seleccionar un puerto por encima del 1023.
Hasta ahora no se han utilizado excepciones; pero deben tener en cuenta la captura de excepciones cuando se está trabajando con sockets. Así :
Socket miSocket; try { miSocket= new Socket(host, puerto); } catch(IOException e) { System.out.println(e); } catch (UnknownHostException uhe) { System.out.println(uhe); }
En el caso de estar implementando un servidor, la forma de apertura del socket sería como sigue :
Socket socketSrv; try { socketSrv= new ServerSocket(puerto); } catch(IOException e) { System.out.println(e); }
Cuando se implementa un servidor se necesita crear un objeto Socket a partir del ServerSocket , para que éste continúe ateniendo las conexiones que soliciten potenciales nuevos clientes y poder servir al cliente, recién conectado, a través del Socket creado:
Socket socketServcio= null; try { socketServicio= socketSrv.accept(); } catch(IOException e) { System.out.println(e); }
4 CREACIÓN DE STREAMS
4.1 Creación de Streams de Entrada
En la parte cliente de la aplicación, se puede utilizar la clase DataInputStream para crear un stream de entrada que esté listo a recibir todas las respuestas que el servidor le envíe.
DataInputStream inSocket;
esos métodos, el más útil quizás sea writeBytes(). En el lado del servidor, puede utilizarse la clase PrintStream para enviar información al cliente:
PrintStream outSocket; try { outSocket= new PrintStream(socketServicio.getOutputStream()); } catch(IOException e) { System.out.println(e); }
Pero también puede utilizarse la clase DataOutputStream como en el caso de envío de información desde el cliente.
5 CIERRE DE SOCKETS
Siempre deben cerrarse los canales de entrada y salida que se hayan abierto durante la ejecución de la aplicación.
En el lado del cliente:
try { outSocket.close(); inSocket.close(); miSocket.close(); } catch(IOException e) { System.out.println(e); }
Y en el lado del servidor:
try { outSocket.close(); inSocket.close(); socketServicio.close(); socketSrv.close(); } catch(IOException e) { System.out.println(e); }
6 DIFERENCIAS ENTRE SOCKETS STREAM Y DATAGRAMA
Ahora se presenta un problema, ¿qué protocolo, o tipo de sockets , debe utilizarse - UDP o TCP? La decisión depende de la aplicación cliente/servidor que se esté escribiendo. Se muestran, a continuación, 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, tiene que establecerse 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.
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.
7 CLASES UTILES EN COMUNICACIONES
A continuación se introducen otras clases que resultan útiles cuando se está desarrollando programas de comunicaciones, aparte de las que ya se han visto. El problema es que la mayoría de estas clases se prestan a discusión, porque se encuentran bajo el directorio sun. Esto quiere decir que son implementaciones Solaris y, por tanto, específicas del Unix Solaris. Además su API no está garantizada, pudiendo cambiar. Pero, a pesar de todo, resultan muy interesantes y se comentarán un grupo de ellas, las que se encuentran en el paquete sun.net.
- MulticastSocket : Clase utilizada para crear una versión multicast de las clase socket datagrama. Múltiples clientes/servidores pueden transmitir a un grupo multicast (un grupo de direcciones IP compartiendo el mismo número de puerto).
- NetworkServer : Una clase creada para implementar métodos y variables utilizadas en la creación de un servidor TCP/IP.
- NetworkClient : Una clase creada para implementar métodos y variables utilizadas en la creación de un cliente TCP/IP.
- SocketImpl : Es un interface que permite crear nuestro propio modelo de comunicación. Tendrán que implementarse sus métodos cuando se use. Si se va a desarrollar una aplicación con requerimientos especiales de comunicaciones, como pueden ser la implementación de un cortafuegos (TCP es un protocolo no seguro), o acceder a equipos especiales (como un lector de código de barras o un GPS diferencial), se necesita una de Socket específica.
8 EJEMPLO CLIENTE DE ECO
Sea el programa cliente, PruebaEco , conecta con el Echo del servidor (en el puerto 7) mediante un socket. El cliente lee y escribe a través del socket. PruebaEco envía todo el texto tecleado en su entrada estándar al Echo del servidor, escribiéndole el texto al socket. El servidor repite todos los caracteres recibidos en su entrada desde el cliente de vuelta a través del socket al cliente. El programa cliente lee y muestra los datos pasados de vuelta desde el servidor.
salida.close(); entrada.close(); ecoSocket.close(); } catch (IOException e) { System.err.println("E/S fallo en la conexión a: " + args[0]); } } }
}
