【网络编程】UDP数据报套接字编程和TCP流套接字编程

文章目录

1. 网络编程基础
- 1.1 为什么需要网络编程？
- 1.2 网络编程是什么？
- 1.3 概念
2. Socket套接字
3. UDP数据报套接字编程
- 3.1 DatagramSocket API
- 3.2 DatagramPacket API
- 3.3 InetSocketAddress API
4. UDP构建服务端客户端（一发一收）
- 4.1 创建服务端UdpServer.java：
- 4.2 创建客户端UdpClient.java：
5. UDP构建服务端客户端（翻译）
6. TCP流套接字编程
- 6.1 ServerSocket API
- 6.2 Socket API
- 6.3 TCP中的长短连接
7. TCP构建服务端客户端（一发一收）
- 7.1 创建服务端TcpServer.java
- 7.2 创建客户端TcpClient.java
8. 启动多个客户端

1. 网络编程基础

1.1 为什么需要网络编程？

这是因为在我们本地资源中，里面的内容并不丰富，而且下载的资源大多最终还是来源于网络。
而在网络世界中，里面有大量的资源。例如：当我们在网页中打开一个视频，听一段音乐，看一篇文章等，这些都属于网络资源（能从网络中获得的数据资源）。
这些资源都是通过网络编程进行数据传输，所以网络编程的需要是必不可少的。

1.2 网络编程是什么？

网络编程就是指网络主机通过不同的进程，以编程的方式进行网络通信（或称网络数据传输）。

1.3 概念

发送端：数据发送方的进程，称发送端。发送端的主机即网络通信中的源主机。
接收端：数据接受方的进程，称接受端。接受端的主机即网络通信中的目的主机。
收发端：发送端和接受端简称收发端。
注意：
发送端和接收端只是相对的，只是一次网络数据传输产生数据流向后的概念。
如上图：进程1请求获得资源时，进程1就是发送端，进程2是接收端，进程2响应时，进程2就是发送端，进程1就是接收端。
服务端：提供服务的一端，称为服务端。
客户端：获取服务的一端，称为客户端。
如上图：主机1发出请求，主机2做出响应，那么我们就可以称主机1为客户端，主机2为服务端。

2. Socket套接字

概念：
Socket套接字，是由系统提供用于网络通信的技术，是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。
分类：

流套接字：使用传输层TCP协议。
TCP的特点：
有连接
可靠传输
面向字节流
有接收缓冲区，也有发送缓冲区
大小不限
数据报套接字：使用传输层UDP协议
UDP的特点：
无连接
不可靠传输
面向数据报
有接收缓冲区，无发送缓冲区
大小受限：一次最多传输64k
原始套接字：原始套接字用于自定义传输层协议，用于读写内核没有处理的IP协议数据。

3. UDP数据报套接字编程

3.1 DatagramSocket API

DatagramSocket 是UDP Socket，用于发送和接收UDP数据报。

DatagramSocket 构造方法：

方法	作用
DatagramSocket()	创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机任意一个随机端口（一般用于客户端）
DatagramSocket()	创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机指定的端口（一般用于服务端）

        //创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机任意一个随机端口
        DatagramSocket socket1 = new DatagramSocket();
        //创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机9090端口
        DatagramSocket socket2 = new DatagramSocket(9090);

DatagramSocket 方法：

方法	作用
void receive(DatagramPacket p)	从此套接字接收数据报（如果没有接收到数据报，该方法会阻塞等待）
void send(DatagramPacketp)	从此套接字发送数据报包（不会阻塞等待，直接发送）
void close()	关闭此数据报套接字

3.2 DatagramPacket API

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。

DatagramPacket 构造方法：

方法	作用
DatagramPacket(byte[] buf, int length)	构造一个DatagramPacket以用来接收数据报，接收的数据保存在字节数组（第一个参数buf）中，接收指定长度（第二个参数length)
DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, SocketAddress address)	构造一个DatagramPacket以用来发送数据报，发送的数据为字节数组（第一个参数buf）中，从0到指定长度（第二个参数length）。address指定目的主机的IP和端口号

DatagramPacket 方法:

方法	作用
InetAddress getAddress()	从接收的数据报中，获取发送端主机IP地址；或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址
int getPort()	从接收的数据报中，获取发送端主机的端口号；或从发送的数据报中，获取接收端主机端口号
byte[] getData()	获取数据报中的数据

3.3 InetSocketAddress API

构造UDP发送的数据报时，需要传入 SocketAddress ，该对象可以使用 InetSocketAddress 来创建。

InetSocketAddress （ SocketAddress 的子类）构造方法：

方法	作用
InetSocketAddress(InetAddress addr, int port)	创建一个Socket地址，包含IP地址和端口号

4. UDP构建服务端客户端（一发一收）

知道上面的，就可以创建一个简单的服务端客户端，一发一收，就是客户端请求服务端，请求什么，客户端收到什么。

4.1 创建服务端UdpServer.java：

public class UdpServer {
    //创建服务器socket，不实例化
    private DatagramSocket socket = null;
    public UdpServer(int port) throws SocketException {
        服务器socket绑定固定的端口
        socket = new DatagramSocket(port);
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        //服务器放入死循环中，我们并不知道客户端什么时候访问客户端，需要不停的接受客户端的UDP数据报
        while(true){
            //1.创建数据报，读取客户端发送数据
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);
            //转义
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            //2.响应
            String response = process(request);
            //3.返回客户端
            //计算机内部处理数据的基本单位是字节。通过将接收到的数据转义为字节，长度要用字节长度
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),
                    request,response);
        }

    }
    //一发一收
    public String process(String request){
        return request;
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //实例化服务端，端口号为9092
        UdpServer udpServer = new UdpServer(9092);
        //启动服务端
        udpServer.start();
    }
}

4.2 创建客户端UdpClient.java：

public class UdpClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp;
    private int serverPort;
    public UdpClient(String ip, int port) throws SocketException {
        serverIp = ip;
        serverPort = port;
        socket = new DatagramSocket();
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动");
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while(true){
            //1.输入
            System.out.println("-> ");
            String request = sc.next();
            //2.发送
//            InetSocketAddress inetAddress = new InetSocketAddress(serverIp,serverPort);
//            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
//                    inetAddress);
//			  计算机内部处理数据的基本单位是字节。通过将接收到的数据转义为字节，长度要用字节长度
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);

            //3.读取
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],0,4096);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
            //4.显示
            System.out.println(response );
        }

    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpClient udpClient = new UdpClient("127.0.0.1",9092);
        udpClient.start();
    }
}

运行结果：

5. UDP构建服务端客户端（翻译）

4中服务器并没有什么功能，那么我们也可以为服务器赋予一些功能，例如：翻译。
我们只需要基于4代码的基础上，对服务器进行修改。

创建翻译服务端UdpServer.java：

public class UdpServer {
    //创建服务器socket，不实例化
    private DatagramSocket socket = null;
    //翻译集合
    private Map<String,String> dict = new HashMap<>();
    public UdpServer(int port) throws SocketException {
        //服务器socket绑定固定的端口
        socket = new DatagramSocket(port);

        //添加单词
        dict.put("cat","小猫");
        dict.put("dog","小狗");
        dict.put("bird","鸟");
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        //服务器放入死循环中，我们并不知道客户端什么时候访问客户端，需要不停的接受客户端的UDP数据报
        while(true){
            //1.创建数据报，读取客户端发送数据
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);
            //转义，计算机内部处理数据的基本单位是字节。通过将接收到的数据转义为字节，服务器可以更容易地处理和解析数据，不会出错
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            //2.响应
            String response = process(request);
            //3.返回客户端
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),
                    request,response);
        }

    }
    //一发一收
    public String process(String request){
        return dict.getOrDefault(request,"我还是个小菜鸡");
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //实例化服务端，端口号为9092
        UdpServer udpServer = new UdpServer(9092);
        //启动服务端
        udpServer.start();
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

其实，相对于4只是修改了一些方法和属性，那么，我们也可以重新写一个类继承4中的服务器，这样会更加的简单。

6. TCP流套接字编程

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

6.1 ServerSocket API

ServerSocket 构造方法：

方法	作用
ServerSocket(int port)	创建一个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口

ServerSocket 方法：

方法	作用
Socket accept()	开始监听指定端口（创建时绑定的端口），有客户端连接后，返回一个服务端Socket对象，并基于该Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待
void close()	关闭此套接字

6.2 Socket API

Socket 是客户端Socket，或服务端中接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务端Socket。
不管是客户端还是服务端Socket，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，及用来与对方收发数据的。

Socket 构造方法：

方法	作用
Socket(String host, intport)	创建一个客户端流套接字Socket，并与对应IP的主机上，对应端口的进程建立连接

Socket 方法：

方法	作用
InetAddress getInetAddress()	返回套接字所连接的地址
InputStream getInputStream()	返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()	返回此套接字的输出流

6.3 TCP中的长短连接

TCP发送数据时，需要先建立连接，什么时候关闭连接就决定是短连接还是长连接：

短连接：每次接收到数据并返回响应后，都关闭连接，即是短连接。也就是说，短连接只能一次收发数据。
长连接：不关闭连接，一直保持连接状态，双方不停的收发数据，即是长连接。也就是说，长连接可以多次收发数据。

对比以上长短连接，两者区别如下：

建立连接、关闭连接的耗时：短连接每次请求、响应都需要建立连接，关闭连接；而长连接只需要第一次建立连接，之后的请求、响应都可以直接传输。相对来说建立连接，关闭连接也是要耗时的，长连接效率更高。
主动发送请求不同：短连接一般是客户端主动向服务端发送请求；而长连接可以是客户端主动发送请求，也可以是服务端主动发。
两者的使用场景有不同：短连接适用于客户端请求频率不高的场景，如浏览网页等。长连接适用于客户端与服务端通信频繁的场景，如聊天室，实时游戏等。

7. TCP构建服务端客户端（一发一收）

7.1 创建服务端TcpServer.java

public class TcpServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;
    private ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
    public TcpServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        while(true){
            Socket socket = serverSocket.accept();
            service.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    processConnection(socket);
                }
            });
//            Thread thread = new Thread(() -> {
//                processConnection(socket);
//            });
//            thread.start();
        }
    }

    public void processConnection(Socket socket){
        System.out.printf("客户端上线: [%s:%d]\n",socket.getInetAddress().toString(),socket.getPort());
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            while(true){
                Scanner sc = new Scanner(inputStream);
                if(!sc.hasNext()){
                    System.out.printf("客户端下线: [%s:%d]\n",socket.getInetAddress().toString(),socket.getPort());
                    break;
                }
                String request = sc.next();
                String response = process(request);
                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                writer.println(response);
                writer.flush();
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",socket.getInetAddress().toString(),socket.getPort(),
                        request,response);
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpServer tcpServer = new TcpServer(9090);
        tcpServer.start();
    }
}

7.2 创建客户端TcpClient.java

public class TcpClient {
    private Socket socket = null;
    public TcpClient(String ip, int port) throws IOException {
        socket = new Socket(ip,port);
    }
    public void start(){
        System.out.println("客服端启动！");
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            while(true){
                System.out.println("-> ");
                String request = sc.next();
                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                writer.println(request);
                writer.flush();
                Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
                String response = scanner.next();
                System.out.println(response);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpClient tcpClient = new TcpClient("127.0.0.1",9090);
        tcpClient.start();
    }
}