Java之TCP和UDP进行网络编程

一.网络编程

1.1网络编程的作用

1.2网络编程的基本概念

1.3网络编程的实现

二.UDP网络编程

2.1UDP数据报套的初步了解

2.2Java数据报套接字通信模型

2.3Java编程实现UDP通信

三.TCP网络编程

3.1TCP流套接字api

3.2TCP通信代码实现

3.2.1短连接实现代码

3.2.2长连接实现代码

四.总结

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🎄 本章讲解内容：TCP和UDP的编程讲解

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一.网络编程

1.1网络编程的作用

网络编程：指网络上的主机，通过不同的进程，以编程的方式实现网络通信（或称为网络数据传输）

换句话说：通过网络编程可以进行网络资源的数据传输，例如：腾讯视频观看网络电视

1.2网络编程的基本概念

在一次网络数据传输时：

发送端：数据的发送方进程，称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机。

接收端：数据的接收方进程，称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机。

收发端：发送端和接收端两端，也简称为收发端。

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

网络数据传输的请求和响应

一般而言，获取一个网络资源需要涉及到两次的网络数据传输：

请求数据的发送 -----客户端
响应数据的发送 ------服务端

注：客户端将资源保存在服务端，例如设置密码，将密码保存在服务端，这样即使换台客户端也能登陆。

1.3网络编程的实现

网络编程的实现是通过Socket套接字，由系统供用于网络通信的技术，将传输层协议划主要划分为两类：TCP协议和UDP协议。因此TCP和UDP是网络资源数据传输的重要协议

重点：牢记Socket套接字。TCP和UDP都有其api，通过这个可以进行网络编程。

二.UDP网络编程

2.1UDP数据报套的初步了解

在Java当中，实现UDP协议的通信的类是-----DatagramSocket（Socket对象），DatagramPacket（udp数据报）

DatagramPacket（udp数据报）：将需要的传输数据写入其中，传输后也需要该类接收数据。
DatagramSocket（Socket对象）：发送和接收udp数据报。

2.2Java数据报套接字通信模型

java中使用UDP协议通信，主要基于 DatagramSocket 类来创建数据报套接字，并使用

DatagramPacket 作为发送或接收的 UDP 数据报。对于一次发送及接收 UDP 数据报的流程如下：

发送端：使用DatagramPacket类构造发送的内容，由DatagramSocket发送出去。
接收端：使用DatagramPacket类保存接收的数据，由DatagramSocket接收该类。

注：在实际情况下，服务器需要提供多个客户端的请求处理及响应。

流程图如下：

2.3Java编程实现UDP通信

在编程之前，我们先要了解两个类---- DatagramPacket和DatagramSocket。

注：服务器相当于家，客户端相当于你，当你想回家时，我们需要得到服务器的地址(IP地址），门牌号(端口号）

（1）DatagramPacket

构造方法

构造方法	方法说明
DatagramPacket(byte[] buf, int length)	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)	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

方法：

方法名	方法说明
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

（2）DatagramSocket

构造方法：

构造方法	方法说明
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(int port)	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）

方法：

方法	解析
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

我们这以自己的地址为例子，环回IP。

客户端代码：

package network;

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp;
    private int serverPort;

    // 服务器的 ip 和 服务器的端口.
    public UdpEchoClient(String ip, int port) throws SocketException {
        serverIp = ip;
        serverPort = port;
        // 这个 new 操作, 就不再指定端口了. 让系统自动分配一个空闲端口.
        socket = new DatagramSocket();
    }

    // 让这个客户端反复的从控制台读取用户输入的内容. 把这个内容构造成 UDP 请求, 发给服务器. 再读取服务器返回的 UDP 响应
    // 最终再显示在客户端的屏幕上.
    public void start() throws IOException {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.println("客户端启动!");
        while (true) {
            // 1. 从控制台读取用户输入的内容
            System.out.print("-> "); // 命令提示符, 提示用户要输入字符串.
            String request = scanner.next();
            // 2. 构造请求对象, 并发给服务器.
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            // 3. 读取服务器的响应, 并解析出响应内容.
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());
            // 4. 显示到屏幕上.
            System.out.println(response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
                                                    //服务器ip与端口
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
        client.start();
    }
}

服务器代码：

package network;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;

// UDP 的 回显服务器.
// 客户端发的请求是啥, 服务器返回的响应就是啥.
public class UdpEchoServer {
    private DatagramSocket socket = null;

    // 参数是服务器要绑定的端口
    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    // 使用这个方法启动服务器.
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动!");
        while (true) {
            // 反复的, 长期的执行针对客户端请求处理的逻辑.
            // 一个服务器, 运行过程中, 要做的事情, 主要是三个核心环节.
            // 1. 读取请求, 并解析
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(requestPacket);
            //    这样的转字符串的前提是, 后续客户端发的数据就是一个文本的字符串.
            String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
            // 2. 根据请求, 计算出响应
            String response = process(request);
            // 3. 把响应写回给客户端
            //    此时需要告知网卡, 要发的内容是啥, 要发给谁.
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            // 记录日志, 方便观察程序执行效果.
            System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", requestPacket.getAddress().toString(), requestPacket.getPort(),
                    request, response);
        }
    }

    // 根据请求计算响应. 由于是回显程序, 响应内容和请求完全一样.
    public String process(String request) {
        return request;
    }

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

三.TCP网络编程

3.1TCP流套接字api

如果想实现TCP的通信，我们需要使用到ServerSocket和Socket。

注意：TCP传输数据，是根据流操作，因此我们需要使用IO流操作

（一）ServerSocket

ServerSocket：创建TCP服务端的Socket的API，服务器端通常用于监听指定的端口并等待客户端的连接请求

构造方法：

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

方法：

方法	方法说明
Socket accept()	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
close()	关闭此套接字

（二）Socket

Scoket：用于客户端，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。

注：socket通常是一个对网络通信进行抽象的对象，通过它可以实现客户端和服务器之间的数据传输。

构造方法：

构造方法	方法说明
Socket(String host, int port)	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

方法：

方法名	方法说明
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

3.2TCP通信代码实现

TCP代码实现通信，需要先建立连接，而确认什么时候关闭，却可以分为2种----短连接和长连接！

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。

长、短连接区别：

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。

3.2.1短连接实现代码

短连接，则是一发一收，客户端发送请求，服务器接收请求，只有请求，没有回应。

服务端：

package org.example.tcp.demo1;
import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class TcpServer {
    //服务器socket要绑定固定的端口
    private static final int PORT = 8888;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1.创建一个服务端ServerSocket，用于收发TCP报文
        ServerSocket server = new ServerSocket(PORT);
        // 不停的等待客户端连接
        while(true) {
            System.out.println("---------------------------------");
            System.out.println("等待客户端建立TCP连接...");
            // 2.等待客户端连接，注意该方法为阻塞方法
            Socket client = server.accept();
            System.out.printf("客户端IP：%s%n", client.getInetAddress().getHostAddress());
            System.out.printf("客户端端口号：%s%n", client.getPort());
            // 5.接收客户端的数据，需要从客户端Socket中的输入流获取
            System.out.println("接收到客户端请求：");
            InputStream is = client.getInputStream();
            // 为了方便获取字符串内容，可以将以上字节流包装为字符流
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is, "UTF-8"));
            String line;
            // 一直读取到流结束：TCP是基于流的数据传输，一定要客户端关闭Socket输出流才表示服
务端接收IO输入流结束
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                System.out.println(line);
           }
            // 6.双方关闭连接：服务端是关闭客户端socket连接
            client.close();
       }
   }
}

客户端

package org.example.tcp.demo1;
import java.io.*;
import java.net.Socket;
public class TcpClient {
    //服务端IP或域名
    private static final String SERVER_HOST = "localhost";
    //服务端Socket进程的端口号
    private static final int SERVER_PORT = 8888;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 3.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 client = new Socket(SERVER_HOST, SERVER_PORT);
        // 4.发送TCP数据，是通过socket中的输出流进行发送
        OutputStream os = client.getOutputStream();
        // 为了方便输出字符串作为发送的内容，可以将以上字节流包装为字符流
        PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(os, "UTF-8"));
        // 4-1.发送数据：
        pw.println("hello world!");
        // 4-2.有缓冲区的IO操作，真正传输数据，需要刷新缓冲区
        pw.flush();
        // 7.双方关闭连接：客户端关闭socket连接
        client.close();
   }
}

以上便是短连接，客户端不会收到回应。

3.2.2长连接实现代码

客户端发送请求，服务器接收请求，然后将其分析对其作出回应，传回客户端。

服务端：

import java.io.*;
import java.net.*;


public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务器已启动");

        // 创建ServerSocket对象，监听指定端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);

        while (true) {
            // 等待客户端连接
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("已连接客户端：" + socket.getInetAddress() + ":" + socket.getPort());

            // 接收客户端消息
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String readLine = null;
            while ((readLine = br.readLine()) != null) {
                System.out.println("客户端消息：" + readLine);

                // 回复客户端消息
                PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
                pw.println("Server reply: " + readLine);
            }
        }
    }
}

客户端：

import java.io.*;
import java.net.*;


public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建Socket对象，连接指定IP和端口
        Socket socket = new Socket("localhost", 8888);

        // 发送消息给服务器
        PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);
        pw.println("Hello server, I am a client.");

        // 接收服务器消息
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        String readLine = null;
        while ((readLine = br.readLine()) != null) {
            System.out.println("服务器消息：" + readLine);
        }

        // 关闭资源
        br.close();
        pw.close();
        socket.close();
    }
}