TCP 프로그래밍

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TCP 프로그래밍

@2024.04.22

자바 TCP 프로그래밍

💡

java.net package를 사용하여 TCP 기반의 네트워크 프로그래밍을 구현

주로 사용 클래스
ServerSocket class
💡
서버 측에서 클라이언트의 연결 요청을 기다리는데 사용
- ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT) : 서버 소켓
- Socket clientSocket = serverSocket.accept() : 클라이언트의 연결 수락
Socket class
💡
서버와 클라이언트 간의 연결을 나타내며, 데이터 송수신에 사용
- Socket socket = new Socket(SERVER_ADDRESS, SERVER_PORT) : 서버 연결
- socket.getInputStream() : 소켓으로부터 데이터를 읽어오는데 사용되는 입력 스트림 반환
- socket.getOutputStream() : 소켓에 데이터를 쓰는데 사용되는 출력 스트림 반환
InetAddress class
💡
자바에서 IP 주소를 표현하고 관리하기 위해 사용되며, IP 주소를 추상화하여 제공
- 객체를 직접 생성할 수 없고, 해당 클래스에 속해있는 여러 정적 메서드를 통해 객체를 얻는다.
  - getByName(String host)
    - 주어진 호스트 이름 또는 IP 주소에 대한 InetAddress 객체 반환
  - getAllByName(String host)
    - 주호진 호트 이름에 대한 모든 IP 주소를 InetAddress 배열로 반환
  - getLocalHost()
    - 시스템에서 구성된 호스트 이름과 IP 주소를 포함하는 InetAddress 객체 반환
  - getHostName()
    - InetAddress 객체가 나타내는 호스트 이름 반환
  - getHostAddress()
    - 호스트의 IP 주소를 문자열 형태로 반환
  - getAddress()
    - 호스트의 IP 주소를 바이트 배열로 반환
- 예시
  - UnknownHostException 예외 : 호스트 이름을 IP 주소로 해석할 수 없을 때 발생
```
import java.net.InetAddress;

public class InetAddressExample {
  public static void main(String[] args) {
      
      try {
					// 특정 호스트의 IP 주소 조회
          InetAddress address = InetAddress.getByName("www.google.com");
          System.out.println("Google's IP Address: " + address.getHostAddress());
          
					// 로컬 호스트의 IP 주소와 이름 조회
          InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();
          System.out.println("Local Host Name: " + localHost.getHostName());
          System.out.println("Local IP Address: " + localHost.getHostAddress());
      } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
      }     
  }
}
출력 결과
Google's IP Address: [Google의 IP 주소]
Local Host Name: [로컬 호스트의 이름]
Local IP Address: [로컬 호스트의 IP 주소]
```

TCP 프로그래밍 절차
1. 서버 생성
  - ServerSocket을 생성하고, 특정 포트에서 클라이언트 연결을 기다린다.
1. 클라이언트 연결 요청
  - 클라이언트는 Socket을 사용하여 서버의 특정 포트로 연결을 요청한다.
1. 연결 수락 및 데이터 교환
  - 서버는 클라이언트 요청을 수락하고, Socket을 통해 데이터를 송수신한다.
1. 연결 종료
  - 데이터 전송이 끝나면 클라이언트와 서버 모두 연결을 종료한다.

Echo 프로그래밍 - TCP 편

💡

클라이언트가 서버에 메시지를 보내면, 서버가 동일한 메시지를 클라이언트에게 되돌려주는 간단한 네트워크 애플리케이션

실행 방법
1. EchoServer 클래스를 실행하여 서버를 시작
1. EchoClient 클래스를 실행하여 클라이언트를 서버에 연결
1. 클라이언트에서 메시지를 입력하고 엔터를 누르면, 서버가 동일한 메시지를 되돌려준다.

단일 클라이언트를 받아들이는 EchoServer

[ Echo Server ]

ServerSocket 객체 생성

특정 포트에서 클라이언트의 연결 요청을 기다리기 위한 ServerSocket 객체 생성

// 포트 번호 9999를 사용하여 새로운 서버 소켓 생성
// 클라이언트의 연결 요청을 수신하고, 해당 포트 번호를 통해 서버에 연결할 수 있게 된다.
ServerSocket server = new ServerSocket(9999);

클라이언트 연결 수락

클라이언트 연결 요청이 들어오면, accept()를 통해 연결을 수락하고 Socket 객체 생성

 // 서버 소켓에서 클라이언트의 연결을 수락하고, 클라이언트와 통신하기 위한 소켓을 생성
 Socket sc = server.accept();

데이터 읽고 쓰기

클라이언트로부터 데이터를 읽기 위해 InputStream 사용 (입구)

데이터를 클라이언트에 보내기 위해 OutputStream 사용 (출구)

/* 
클라이언트로부터 데이터를 읽어오기 위해 입력 스트림을 설정하고, 
그 데이터를 텍스트 형식으로 읽어오기 위해 BufferedReader을 생성 
*/
InputStream in = sc.getInputStream();
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));

/* 
클라이언트에 데이터를 보내기 위해 출력 스트림을 설정하고,
PrintWriter를 사용하여 서버에서 클라이언트로 데이터를 텍스트 형식으로 전송
*/
OutputStream out = sc.getOutputStream();
// PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out),true);
// 두 번째 매개변수에 true를 주면 자동으로 flush 처리
// PrintWriter의 목적지를 클라이언트 소켓으로 설정
PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out));

// 클라이언트가 보낸 메시지를 읽고, 해당 메시디를 그대로 클라이언트에게 다시 보낸다. 
String line = null;
while((line=br.readLine()) != null){
    System.out.println("클라이언트에서 받은 메시지 : " + line);
    pw.println("server ::: " + line); // 서버에서 클라이언트로 메시지 전송
    pw.flush(); // 버퍼를 비워서 즉서 전송
}

연결 종료
- 클라이언트와의 통신이 끝나면, Socket을 닫아 연결을 종료
  - 클라이언스 소켓 : 서버에서 해당 클라이언트로 더 이상 통신이 불가능
  - 서버 소켓 : 서버가 더 이상 클라이언트의 연결을 받지 않을 것이라면, 서버 소켓도 단는다. (더 이상 클라이언트의 연결 요청을 수락하지 않음)
```
server.close();
sc.close();
br.close();;
pw.close();
```

전체 코드

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class EchoServer {
  public static void main(String[] args) {
      final int PORT = 9999; // 포트 번호
      
      try {
          // 서버 소켓 생성
          ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);
          System.out.println("Echo Server is running on port " + PORT);
          
          // 클라이언트의 연결을 대기하고 수락
          Socket clientSocket = serverSocket.accept();
          System.out.println("Client connected: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
          
          // 클라이언트와 통신을 위한 입출력 스트림 생성
          BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
          PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
          
          // 클라이언트로부터 메시지 수신 및 다시 전송
          String message;
          while ((message = in.readLine()) != null) {
              System.out.println("Received message from client: " + message);
              out.println("Echo from server: " + message);
          }
          
          // 연결 종료
          System.out.println("Client disconnected.");
          clientSocket.close();
          serverSocket.close();
          
      } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
      }
  }
}

[ Echo Client ]

Socket 객체 생성

서버의 IP 주소와 포트 번호를 사용하여 Socket 객체를 생성하여 서버에 연결

// 새로운 클라이언트 소켓을 생성한다.
// 이 소켓은 127.0.0.1 주소와 포트 번호 9999로 지정된 서버에 연결된다. 
Socket sock = new Socket("127.0.0.1", 9999);

데이터 전송 및 응답 수신

서버로부터의 응답을 받기 위해 InputStream을 사용 (입구)

서버에 데이터를 보내기 위해 OutputStream을 사용 (출구)

// 클라이언트 소켓을 통해 서버로부터 데이터를 읽어오기 위한 BufferedRreader 설정
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(sock.getInputStream()));

// 클라이언트 소켓을 통해 서버로 데이터를 보내기 위한 PrintWriter 설정
PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(sock.getOutputStream()));

//클라이언트가 키보드를 통해 입력하기위한 통로
BufferedReader keybord = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

String line = null;
while ((line = keybord.readLine()) != null) {
    if (line.equalsIgnoreCase("quit")) {
        break;
    }
    //서버에게 보냄.
    pw.println(line);
    pw.flush();

    //서버에서 받음
    String echo = br.readLine();
    System.out.println("서버로부터 받은 응답 메시지 : " + echo);
}

연결 종료
- 데이터 송수신이 끝나면 Socket을 닫아 연결을 종료
```
pw.close();
br.close();
keybord.close();
sock.close();
```

전체 코드

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

public class EchoClient {
    public static void main(String[] args) {
        final String SERVER_IP = "127.0.0.1"; // 서버 IP 주소
        final int SERVER_PORT = 9999; // 서버 포트 번호

        try {
            // 서버에 연결
            Socket socket = new Socket(SERVER_IP, SERVER_PORT);
            System.out.println("Connected to server.");

            // 클라이언트에서 서버로 메시지를 보낼 PrintWriter
            PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
            // 서버에서 클라이언트로 메시지를 받을 BufferedReader
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            // 키보드 입력을 받을 BufferedReader
            BufferedReader keyboard = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

            String line = null;
            while ((line = keybord.readLine()) != null) {
                if (line.equalsIgnoreCase("quit")) {
                    break;
                }
                //서버에게 보냄.
                pw.println(line);
                pw.flush();

                //서버에서 받음
                String echo = br.readLine();
                System.out.println("서버로부터 받은 응답 메시지 : " + echo);
            }

            // 연결 종료
            socket.close();
            System.out.println("Disconnected from server.");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

다중 클라이언트를 받아드리는 EchoServer

Thread를 이용하면 된다!

구현 방법

클라이언트 연결을 수락하기 위한 ServerScoket 생성

클라이언트가 연결될 때마다 새로운 스레드를 생성하여 해당 클라이언트의 요청을 처리

각 클라이언트 스레드는 해당 클라이언트와 통신하고, 클라이언트로부터 받은 데이터를 다른 모든 클라이언트에게 다시 전송

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class MultiEchoServer {
    public static void main(String[] args) {
        final int PORT = 9999;
        
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);
            System.out.println("Multi Echo Server is running on port " + PORT);
            
            while (true) {
                // 클라이언트 연결을 수락 -> 클라이언트 수 만큼 반복
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                System.out.println("Client connected: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
                
                // 클라이언트와 통신하는 스레드 시작 
                // 클라이언트마다 각자 실행 할 수 있도록 만들어야한다
                ClientThread client = new ClientThread(clientSocket);
                clientThread.start();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class ClientHandler extends Thread {
    private Socket clientSocket;
    
    public ClientHandler(Socket clientSocket) {
        this.clientSocket = clientSocket;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
            PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
            
            String message;
            while ((message = in.readLine()) != null) {
                System.out.println("Received message from client: " + message);
                
                // 클라이언트로부터 받은 메시지를 다시 보냄
                out.println("Echo from server: " + message);
            }
            
            // 연결 종료
            System.out.println("Client disconnected: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());
            clientSocket.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

채팅 프로그램 만들기

다수의 클라이언트가 서버에 동시에 연결되어 서로 메시지를 주고받을 수 있다.

고려 사항
- 스레드 동기화
  - 다수의 클라이언트가 동시에 메시지를 보낼 때, 데이터의 일관성을 유지하기 위해 필요
- 오류 처리
  - 네트워크 오류나 사용자 연결 종료와 같은 예외 상황 처리
- 효율적인 리소스 관리
  - 클라이언트 연결 종료 시 리소스를 정리하고, 서버의 부하를 관리해야 한다.

[ Echo Server ]

ServerSocket 설정
- ServerSocket을 이용하여 특정 포트에 클라이언트의 연결을 기다린다.

클라이언트 연결 처리
- 클라이언트 연결 요청이 들어오면 accept() 메서드를 통해 이를 수락한다.
- 각 클라이언트마다 별도의 스레드를 생성하여 독립적으로 처리한다.

메시지 중계

서버는 클라이언트로부터 받은 메시지를 다른 클라이언트에게 전달(브로드캐스트)

    // 전체 사용자에게 메시지 보내기 메소드 (브로드캐스트)
    public void broadcast(String msg){
//        for(PrintWriter out : chatClients.values()){
//            out.println(msg);
//        }
        synchronized (chatClients){
            Iterator<PrintWriter> it= chatClients.values().iterator();
            while(it.hasNext()){
                PrintWriter out = it.next();
                try{
                    out.println(msg);
                }catch (Exception e){
                    it.remove(); // 브로드 캐스트 할 수 없는 사용자를 삭제
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

전체 코드1 (수업)

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;

public class ChatServer {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 서버 소켓 생성
        try(ServerSocket server = new ServerSocket(9999);){
            // 여러명의 클라이언트의 정보를 기억할 공간
            Map<String, PrintWriter> chatClients  = new HashMap<>();
            System.out.println("서버 준비 완료");
            while(true){
                // 2. accept()를 통해서 소켓 얻어옴 (여러명의 클라이언트 접속)
                Socket socket = server.accept();
                //Thread 이용
                new ChatThread(socket,chatClients).start();
            }
        }catch (Exception e){
            e.getStackTrace();
        }


    }
}

class ChatThread extends Thread{
  private Socket socket; // 소켓
  private String id; // 사용자를 구별할 ID
  private Map<String,PrintWriter> chatClients; // 여러명의 클라이언트
    // 생성자를 통해서 클라이언트 소켓을 얻어옴
    // 각각 클라이언트와 통신 할 수 있는 통로를 얻어온다.
    BufferedReader in;
    PrintWriter out;
    public ChatThread(Socket socket, Map<String,PrintWriter> chatClients){
        this.socket = socket;
        this.chatClients = chatClients;
        // 클라이언트가 생성될때 클라이언트로부터 아이디를 얻어오게 하고싶다.
        try{
            in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
            id = in.readLine();
            // 모든 사용자에게 id님이 입장했다는 정보를 알려준다.
            broadcast(id + "님이 입장하셨습니다.");
            System.out.println("새로운 사용자의 아이디는 " + id + "입니다.");
            // 동시에 여러 클라이언트가 put 할 수도 있다 -> 동기화 필요(syncronized)
            synchronized (chatClients){
                chatClients.put(this.id,out);
            }
        }catch(Exception e){
            System.out.println(e);
        }

    } // 생성자 끝

  
    // 연결된 클라이언트가 메시지를 전송하면, 그 메시지를 받아서 다른 사용자에게 보내줌
    @Override
    public void run() {
        String msg = null;
        try{
            while((msg = in.readLine())!=null){
                broadcast(id + " : " + msg);
            }
        }catch (IOException e){
            System.out.println(e);
        }finally {
            synchronized (chatClients){
                chatClients.remove(id);
            }
            broadcast(id + "님이 채팅에서 나갔습니다.");

            if(in !=null){
                try{
                    in.close();
                }catch(IOException e){
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
           if(socket != null){
               try{
                   socket.close();
               }catch(IOException e){
                   throw new RuntimeException(e);
               }
           }

        }
    }

    // 전체 사용자에게 메시지 보내기 메소드 (브로드캐스트)
    public void broadcast(String msg){
//        for(PrintWriter out : chatClients.values()){
//            out.println(msg);
//        }
        synchronized (chatClients){
            Iterator<PrintWriter> it= chatClients.values().iterator();
            while(it.hasNext()){
                PrintWriter out = it.next();
                try{
                    out.println(msg);
                }catch (Exception e){
                    it.remove(); // 브로드 캐스트 할 수 없는 사용자를 삭제
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

전체 코드2

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class PdfServer {
    private static final int PORT = 12345;
    private static Set<PrintWriter> allCients = new HashSet<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("채팅 서버가 시작되었습니다.");
        ServerSocket listener = new ServerSocket(PORT);

        try{
            while(true){
                new Handler(listener.accept()).start();
            }
        }finally {
            listener.close();
        }
    }

    private static class Handler extends Thread{
        private Socket socket;
        private PrintWriter out; // 서버를 기준으로 출력이면, 클라이언트에겐 입력
        private BufferedReader in; // 서버를 기준으로 입력이면, 클라이언트에겐 출력

        public Handler(Socket socket){
            this.socket = socket;
        }

        @Override
        public void run() {
            try{
                in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);

                synchronized (allCients){
                    allCients.add(out);
                }
                String input;
                while((input=in.readLine())!=null){
                    synchronized (allCients){
                        for(PrintWriter writer : allCients){
                            writer.println(input);
                        }
                    }
                }
            }catch(IOException e){
                System.out.println(e.getMessage());
            }finally {
                if(out != null){
                    synchronized (allCients){
                        allCients.remove(out);
                    }
                }
                try{
                    socket.close();
                }catch (IOException e){
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
            }
        }
    }
}

[ Echo Client ]

Socket을 이용한 서버 연결
- 클라이언트는 서버의 IP 주소와 포트 번호를 사용하여 서버에 연결한다,

메시지 송수신
- 콘솔에서 입력받은 메시지를 서버에 보내고, 서버로부터 오는 메시지를 콘솔에 출력한다.

전체 코드1 (수업)

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

public class ChatClient {
    public static void main(String[] args) {
        //아이디가 처음에 입력되게 하기 위해서 args[0] 에서 받아오는 것으로 구현해봅시다.
        if (args.length != 1) {
            System.out.println("사용법 : java ChatClent id");
            System.exit(1);
        }

        try (Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);
             PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
             BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
             BufferedReader keyboard = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        ) {
            //접속되면 id를 서버에 보낸다. (서버와의 약속!!)
            out.println(args[0]);

            //네트워크에서 입력된 내용을 담당하는 부분을 Thread로..
            new InputThread(socket, in).start();

            //키보드로부터 입력받은 내용을 서버에 보내는코드
            String msg = null;
            while ((msg = keyboard.readLine()) != null) {
                out.println(msg);
                if ("/quit".equalsIgnoreCase(msg))
                    break;
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

class InputThread2 extends Thread {
    private Socket socket;
    private BufferedReader in;

    InputThread2(Socket socket, BufferedReader in) {
        this.socket = socket;
        this.in = in;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            String msg = null;
            while ((msg = in.readLine()) != null) {
                System.out.println(msg);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e);
        } finally {
            if (in != null) {
                try {
                    in.close();
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }
    }
}

전체 코드2

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class PdfClient {
    private static final String SERVER_ADDRESS = "localhost";
    private static final int SERVER_PORT = 12345;

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        try(Socket socket = new Socket(SERVER_ADDRESS,SERVER_PORT)){
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
            Scanner sc = new Scanner(System.in);


            Thread listenerThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        String serverMessage;
                        while((serverMessage = in.readLine())!=null){
                            System.out.println("서버 "  + serverMessage);
                        }
                    }catch (IOException e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                }
            });
            listenerThread.start();

            while(true){
                System.out.println("메시지 입력 : ");
                String message = sc.nextLine();
                if(message.equalsIgnoreCase("exit")){
                    break;
                }
                out.println(message);
            }
        }
    }
}

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