JAVAEE初阶相关内容第十五弹--网络編程

写在前

简单描述一下关于路由器的三层转发和交换机的二层转发。

路由器是三层转发-->在网络层转发。【需要解析出IP协议中的源IP、目的IP来规划路径】

交换机是二层转发-->在数据链路层转发。【只需要关注下一步发展到哪个相邻的设备上，不需要IP地址，在数据链路层。有一个mac地址。】

这一部分开始进行网络部分的内容，涉及到编程相关的知识，好好学习！！

本篇博客主要是对网络编程进行初步的了解，socket的理解，学习相关API、完成客户端、服务器的【回显服务器】代码编写，在同一台主机上完成通信。

1.网络编程基础

1.1什么是网络编程

网络编程，指网络上的主机，通过不同的进程，【只要满足不同的进程就行，所以即便是同一个主机，只要是进程不同，基于网络来传输数据，也属于网络编程。】以编程的方式实现网络通信（或称为网络数据传输。）

1.2常见的客户端服务端模型

最常见的场景，客户端是指给用户使用的程序，服务端是指提供用户服务的程序。

（1）客户端先发送请求到服务端。

（2）服务端根据请求数据，执行相应的业务处理。

（3）服务端返回响应，发送业务处理结果。

（4）客户端根据响应数据，展示处理结果（战术获取的资源，或提示保存资源的处理结果）

2.Socket套接字

2.1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单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。

【socket 英文原意为：插座。socket是操作系统给应用程序提供的网络编程的API，可以认为socket API是和传输层密切相关的，传输层里提供了两个核心的协议：TCP和UDP。所以socket api提供了两种风格TCP和UDP 准确的讲有三种unix域套接字，几乎没人用】

2.2分类

一些解释：

可靠传输：网络环境是天然复杂的。不可能保证传输的百分百到达，可靠传输指的是发送方能知道自己的消息发过去了。

是否是可靠传输与是否有无连接没有关系：例如在一些聊天软件上的“已读”功能，是无连接的可靠传输。

全双工半双工：一个通信通道可双向传输（既可以发送也可以接收），就是全双工；一根水管只能单项传输，叫做半双工。TCP/UDP都是全双工是因为一根网线中有八根线

2.2.1流套接字-TCP

TCP,Transmission Control Protocol（传输控制协议），传输层协议。

特点：有连接，可靠传输，面对字节流，有接收缓冲区也有发送缓冲区，大小不限，全双工。

类似于打电话，打电话就是有连接的，需要连接建立才能通信。连接建立需要对方“接受”，如果连接没建立好，则不能进行通信。

对于字节流来说，可以简单地理解为，传输数据是基于IO流的，流式数据的特征就是在IO流没有关闭的情况下，是无边界的数据，可以多次发送，也可以分开多次接收。

2.2.2数据报套接字-UDP

UDP，User Datagram Protocol（用户数据报协议），传输层协议。

特点：无连接，不可靠传输，面向数据报，有接受缓冲区无发送缓冲区，大小受限：一次最多传输64K，全双工。

类似于发微信，

对于数据报来说，可以简单理解为，传输数据是一块一块的，发送一块数据假如有100个字节，必须一次发送，接收的也必须是100个字节，而不能分100次，每次接收一个字节。

拓展：关于网速快慢

“木桶原理” 在网络通信的过程中有很多路由器、交换机。转发能力存在上限，转发的不止是一个用户的数据。某个设备达到转发能力的上限，就会卡顿丢包。

2.3Java数据报套接字通信模型

对于UDP协议来说，具有无连接，面向数据报的特征，即每次都是没有建立连接，并且一次会发送全部数据报。一次接收全部数据报。

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：

以上只是一次发送端的UDP数据报发送，及接收端的数据报接收，并没有返回的数据，也就是只有请求，没有响应。对于一个服务器来说，重要的是提供多个客户端的请求及响应。

下面实现一个最简单的UDP版本的客户端服务器程序--回显服务器（echo serve）

2.4UDP数据报套接字编程

一个普通的服务器：收到请求，根据请求计算响应，返回响应。

echo serve:省略了其中的”根据请求计算响应“，请求是啥，就返回啥（这个代码没有实际的业务，也没有太大作用和意义，只是为了展示socket api 基本用法），但是对于一个服务器来说，一定”根据请求计算响应“这个环节是最重要的。

2.4.1DatagramSocket API

使用这个类表示一个socket对象。【在操作系统中，把socket对象也是当作一个文件来处理的，相当于是文件描述符表中的一项】普通文件对应硬盘设备；socket文件对应网卡。

1个socket对象就可以和另外一台主机进行通信，如果需要多个不同主机通信，则需要创建多个socket对象。

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

socket通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。

数据报(Data gram),通过网络传输的数据的基本单元，包含一个报头（header）和数据本身，其中报头描述了数据的目的地以及和其它数据之间的关系。完备的、独立的数据实体，该实体携带要从源计算机传递到目的计算机的信息，该信息不依赖以前在源计算机和目的计算机以及传输网络间交换。　　

**DatagramSocket构造方法**
方法签名	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（一般用于服务器）

**DatagramSocket方法**
方法签名	方法说明
void receive(DatagramPacket p) 此处传入的相当于是一个空对象，receive方法内部，会对参数的这个空对象进行内容填充，从而构造出结果数据，参数也是一个”输出型参数“	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(Datagram Packet p)	从此套接字发送数据报（不会阻塞等待，直接发送）
void close（）	关闭此数据报套接字

2.4.2DatagramPacket API

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报，表示UDP中传输的一个报文。

**DatagramPacket构造方法**
方法签名	方法说明
DatagramPacket(byte buf ,int length) 把buf这个缓冲区给设置进去了	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) Socket Address Ip端口号	构造一个DatagramSocketPacket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**
方法签名	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()	从接收端的数据报中，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

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

2.4.3InetSocketAddress API

**InetSocketAddress(Socket Address 的子类)构造方法**
方法签名	方法说明
InetSocketAddress(InetAddress addr,int port)	创建一个Socket地址，包含IP地址和端口号。

2.4.4服务器代码实现

核心思想：

（1）读取请求并解析

（2）根据请求计算响应

（3）构造响应并写回给客户端

数据到达网卡，经过内核的层层分用，最终到达UDP传输层协议。

调用receive相当于执行到内核中的相关udp代码，就会把这个udp数据报里面载荷部分取出来，拷贝到用户提供的byte[ ]数组中。

代码实现：

package network;

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


//UDP版本的回显服务器
public class UdpEcSe {
   
    private DatagramSocket socket = null;

    public  UdpEcSe(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }
  
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
       
        while (true){
            
            //1.读取客户端发来的请求是啥
           
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);//通过receive方法来读取请求,receive内部会针对参数对象填充数据。填充的数据来自于网卡
          
            String request = new String(requestPacket.getData(),0, requestPacket.getLength());

            //2.根据请求计算响应，此处是一个回显服务器，所以请求和响应是相同的
            String response = process(request);

            //3.将响应写回客户端,需要用到send方法
           
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());

            socket.send(requestPacket);
            //4.打印一下，当前这次请求响应的处理中间结果

            System.out.printf("[%s:%d] req: %s;resp:%s\n",requestPacket.getAddress().toString(),
                    requestPacket.getPort(),request,response);
        }
    }

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

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

}

加注释版本：

package network;

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

/**
 * Created with IntelliJ IDEA.
 * Description:
 * User: 苏西西
 * Date: 2023-10-18
 * Time: 14:59
 */
//UDP版本的回显服务器
public class UdpEcSe {
    //首先需要创建一个成员
    //网络编程首先是要操作网卡，网卡不方便直接操作
    // 在操作系统内核中使用了一种特殊的叫做“socket”这样的文件来抽象表示网卡
    //因此进行网络通信需要先有一个对象
    private DatagramSocket socket = null;

    //构造方法将对象实例化
    //对于服务器来说，创建的同时还需要关联上一个端口号
    //服务器是网络传输中被动的一方，如果是操作系统随机分配的端口，
    public  UdpEcSe(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }
    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        //服务器不是只给一个客户端提供服务，需要去服务很多客户端
        while (true){
            //只要有客户端过来就可以提供服务
            //1.读取客户端发来的请求是啥
            //对于UDP来说，传输数据的基本单位是DatagramPacket
            //receive方法的参数是一个输出型参数，需要先构造好一个空白的DatagramPacket对象交给receive 来进行填充
            //DatagramPacket相当于是在点餐的时候给顾客一个空白的纸条，客户写完之后商家再根据纸条的需求来做食物
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);//通过receive方法来读取请求,receive内部会针对参数对象填充数据。填充的数据来自于网卡
            //此时这个DatagramPacket 是一个特殊的对象，并不方便直接进行处理
            //可以将这里包含的数据拿出来构造一个字符串
            //字节数组作为存储数据的缓冲区，此处给的最大的长度是4096，但是这里的空间不一定会被用满，可能只使用小部分
            //因此构造字符串，哪些用了构造那部分，就可以通过getLength获取到实际的数据报的长度
            //只把这个实际有效部分给构造成字符串即可
            String request = new String(requestPacket.getData(),0, requestPacket.getLength());

            //2.根据请求计算响应，此处是一个回显服务器，所以请求和响应是相同的
            String response = process(request);

            //3.将响应写回客户端,需要用到send方法
            // send的参数也是一个DatagramPacket，需要将这个对象构造好
            //这里也需要通过字节数组进行构造，不同的是读请求是需要构造一个空的字节数组
            //读响应的字节数组就不能是空的了，得带有respose里面的内容--响应内容
            //需要注意的是response.getBytes().length是计算字节的个数，这里不能写作response.length() 【字符的个数】
            //DatagramPacket只认字节不认字符。
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());

            socket.send(requestPacket);
            //4.打印一下，当前这次请求响应的处理中间结果
            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
    //如果不是回显服务器，则可以在process中灵活的进行处理！！
    public String process(String request){
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //端口号指定，可以在1024->65535范围内随便挑一个数字！
        UdpEcSe server = new UdpEcSe(9090);
        server.start();
    }

}

需要强调的内容：

2.4.5客户端代码实现

核心思想：

（1）从控制台读取一个要发送的数据
（2）把这个数据构造成一个UDP的请求并发送
（3）读取服务器的 UDP 响应，并解析
（4）把解析好的结果显示出来

代码实现：

package network;

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


//UDP版本的回显客户端
public class UdpEcCl {

   
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp = null;
    private int serverPort = 0;

   
    public UdpEcCl(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动！");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true){
            //1.从控制台读取一个要发送的数据
            System.out.print(">");
           
            String request = scanner.next();
          
            if(request.equals("exit")){
                System.out.println("bye");
                break;
            }

            //2.把这个数据构造成一个UDP的请求并发送
            
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);

            //3.读取服务器的 UDP 响应，并解析
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(responsePacket);

            //4.把解析好的结果显示出来
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
            System.out.println(response);
        }
    }
      public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEcCl  clinet = new UdpEcCl("127.0.0.1",9090);
        clinet.start();
    }

}

加注释版本：

package network;

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


//UDP版本的回显客户端
public class UdpEcCl {
    //1.首先需要创建出来一个socket对象
    //网络编程需要操控网卡，就需要创建一个socket对象进行远程操控
    private DatagramSocket socket = null;
    //需要将ip和端口存一下
    private String serverIp = null;
    private int serverPort = 0;

    //写一个构造方法
    //指定服务器的ip和服务器的端口；一次通信需要有俩ip，俩端口
    //客户端的ip是127.0.0.1；端口是系统自动分配的
    //服务器的ip和端口也需要告诉客户端，才能顺利将消息发给服务器
    public UdpEcCl(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动！");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true){
            //1.从控制台读取一个要发送的数据
            System.out.print(">");
            //客户端发送的请求
            String request = scanner.next();
            //对客户端输入的内容进行进行简单的翻译
            if(request.equals("exit")){
                System.out.println("bye");
                break;
            }

            //2.把这个数据构造成一个UDP的请求并发送
            //构造这个packet的时候，需要把serverIp和port都传入过来
            // 但是由于此处的ip地址需要填写的是32位的整数形式
            //上述的IP地址是一个字符串，需要使用  InetAddress.getByName()来进行转换
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);

            //3.读取服务器的 UDP 响应，并解析
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(responsePacket);

            //4.把解析好的结果显示出来
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
            System.out.println(response);
        }
    }
      public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEcCl  clinet = new UdpEcCl("127.0.0.1",9090);
        clinet.start();
    }

}