Socket、UDP、TCP协议和简单实现基于UDP的客户端服务端

Socket

TCP和UDP区别

UDP：无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工

TCP：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工

无连接和有连接

可靠传输和不可靠传输

面向数据报和面向字节流

全双工和半双工

Java中对于传输层的一些API

DatagramSocket

DatagramSocket构造方法

send（）和receive（）方法

close()方法

DatagramPacket

DatagramPacket构造方法

实现一个UDP客户端-服务端的代码

明确服务端做的事

UDP服务端代码编写

明确客户端做的事

UDP客户端代码编写

通信结果：

为什么客户端不需要指定一个特定的端口号呢？

Socket

我们都知道用户在进行网络通信的时候，应用层会将报文发送给传输层，发送的这个过程，应用层需要调用操作系统的一些api，准确来说就是调用传输层的api，应用层和传输层之间沟通调用的api就是Socket。严格意义上讲，socket的api属于传输层。

TCP和UDP就是Socke的apit提供的两种不同的风格。

TCP和UDP区别

UDP：无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工

TCP：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工

无连接和有连接

无连接：不确保接收方是否接收到信息。比如发短信，发微信都是无连接通信，不需要对方在线什么的就能直接把要传递的信息发送出去

有连接：确保接收方会收到信息。比如打电话，打视频，需要对方接起才能让双方进行信息的传递

原因：UDP协议当中发送方和接收方的运输层进程之间没有建立握手，只负责把应用层的报文打包成UDP报文段进行发送，不关注接收方是否能收到，所以UDP协议是无连接的。而TCP协议在传输数据之前会进行“三次握手”来确保接收方是能够收到信息的，所以TCP协议是有连接的

可靠传输和不可靠传输

可靠传输就是发送方发送完信息后，接收方如果收到了信息，发送方可以知晓接收方已经收到了信息，比如有些聊天的已读功能。

不可靠传输就是发送方发送完信息后，不知道接收方是否收到了信息，比如微信聊天，发送方并不知道接收方是否接受到信息。

面向数据报和面向字节流

UDP协议就是面向数据报的协议。

传输层协议是以数据报为基本单位进行传输的，操作系统不会对消息进行拆分，也就是直接把应用层传过来的报文打包为UDP数据段，然后传输到网络层

而TCP协议是面向字节流的协议。

TCP把数据看成一个没有结构的，但是有序的字节流。

当使用TCP协议进行传输的时候，一条应用层消息可能会被操作系统分成多个TCP报文。也就是说应用层发送过来的报文会被拆分成多个数据段，比如：|

应用层打算发送Hello This is Java,使用TCP协议就有可能拆分成两个TCP段：

也有可能只有一个TCP段。

而对于UDP协议是不会拆分的：

全双工和半双工

全双工：一个通信通道可以双向传输（既可以发送，又可以接收）比如很多道路都是可以双向通行的

半双工：通信通道只能单向传输（只能发送或接收）比如青藏铁路这样的，只能单向通行。

Java中对于传输层的一些API

DatagramSocket

在操作系统中一切皆为文件。

使用DatagramSocket这个类，可以创建socket对象，操作系统中把这个socket当做一个文件来处理，相当于文件描述符表上的某一项。

使用一个socket对象就可以和另外一个主机进行通信了，如果要和多个主机进行通信，可以创建多个socket对象。

DatagramSocket构造方法

DatagramSocket() 系统自动分配一个空闲的端口号

DatagramSocket(int port) 指定端口号，将socket和对应的端口相关联。

send（）和receive（）方法

void send(DatagramPacket packet) 代表socket发送应用层报文的方式

void receive(DatagramPacket packet) 代表socket接收应用层报文的方式

需要发送/接收的DatagramPackett就是一个应用层报文。

close()方法

用于关闭文件描述符表项，释放进程当中的文件描述符表项所占用的空间。

DatagramPacket

表示的是UDP当中传输的一个应用层报文

DatagramPacket构造方法

DatagramPacket(byte[] buf,int length)	把buf数组作为地址
DatagramPacket(byte[] buf,int offset,int length,SocketAddress)	把buf数组作为地址，并且指定了需要传输的目标主机IP和端口号

实现一个UDP客户端-服务端的代码

假设约定：客户端是运行在用户手中的，服务器是运行在我们程序员自己的电脑。

明确服务端做的事

1、读取客户端的请求

2、根据请求计算响应

3、将响应返回给客户端

需要指定的属性：DatagramSocket socket（socket对象）用来为客户端提供socket来接收应用层报文

构造方法当中初始化socket对象，并且指定本机当中需要建立通信的端口号。

注意：应用层和传输层建立连接的时候一定要指明socket端口号，不然就会导致选用无参构造方法，无法明确UDP和应用层的哪个端口建立联系，从而无法通信。

UDP服务端代码编写

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

public class UdpEchoServer2 {
    //与服务端建立联系的socket
    private DatagramSocket datagramSocket;

    //使用构造方法并传入端口(关联端口)
    public UdpEchoServer2(int port) throws SocketException {
        //创建对象
        datagramSocket=new DatagramSocket(port);//port是服务端进程端口号
    }

    //创建start方法作为服务器启动
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        while(true){
            //1、packet存放接收应用层内容
            DatagramPacket receivePacket=new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            //2、使用socket来接收应用层信息并将其存放在packet的byte数组中
            datagramSocket.receive(receivePacket);
            //3、截取byte数组中应用层信息的实际长度的内容，比如hello就截取hello长度的内容
            //也就是获取数据报的实际长度部分
            String request = new String(receivePacket.getData(),0,receivePacket.getLength());

            //4、模拟回显服务器，将提取出来的数据报传给process进行处理并把响应赋值给response
            String response= process(request);

            //5、将响应字符串转化为字节数组
            byte[] responseByte=response.getBytes();
            //6、获取响应数组长度
            int responseByteLength= responseByte.length;
            //7、获取对应的客户端的IP和端口号（SocketAddress）根据packet的信息获取对应的地址
            SocketAddress address = receivePacket.getSocketAddress();
            //8、构造返回给客户端的socket对象
            DatagramPacket responsePacket=new DatagramPacket(responseByte,responseByteLength,address);
            //9、使用构造的socket对象将响应发送给客户端
            datagramSocket.send(responsePacket);
            //输出处理结果作为验证
            System.out.println("客户端IP:"+receivePacket.getAddress()+
                    "客户端端口号:"+receivePacket.getPort());

        }

    }
    //服务器响应
    public String process(String request){
        return "udp服务器已响应"+request;
    }

    //服务端启动
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoServer2 udpEchoServer2=new UdpEchoServer2(9090);
        udpEchoServer2.start();
    }

}

启动服务端：（指定服务器端口号为9090）此时启动后服务器正常启动，但是由于客户端没有向服务端发送任何请求，所以服务端会在receive方法出进行阻塞等待。

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoServer2 udpEchoServer2=new UdpEchoServer2(9090);
        udpEchoServer2.start();
    }

明确客户端做的事

客户端主要做的事就是和服务端建立通信，并且为服务端的receive方法内部的数据（DatagramPacket）等待服务端的send方法发送数据（DatagramPacket）回来并做出响应

UDP客户端代码编写

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

public class UdpEchoClient {
    /**
     * 客户端需要有的属性：
     * 1、和服务端建立联系的socket
     * 2、服务端的ip地址
     * 3、服务端的端口号
     */
    private DatagramSocket socket;//和服务端建立联系的socket

    private String serverIp;//服务端的ip地址(目的IP)

    private int serverPort;//服务端的端口号(目的端口）

    //构造方法
    public UdpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        socket=new DatagramSocket();
        this.serverIp=serverIp;
        this.serverPort=serverPort;
    }

    //启动客户端
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端已启动！");
        Scanner input=new Scanner(System.in);
        while(true){
            //1.用户从控制台输入想要发送给服务端的数据
            System.out.println("请输入您想要发送给服务端的数据：");
            String request= input.next();
            //2、构造Udp请求
                //将请求转为请求数组
            byte[] requestBytes=request.getBytes();
                //获取请求数组的长度
            int length= requestBytes.length;
            //3、指定服务端的ip和端口号
            DatagramPacket requestPacket=new DatagramPacket(requestBytes,length,
                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            //4、将请求发送到服务端的receive方法中
            socket.send(requestPacket);
            //5、读取并接收服务端的响应结果
            DatagramPacket responsePacket=new DatagramPacket(new byte[4096],4096);//存放读取的结果
                //接收服务端的响应
            socket.receive(responsePacket);
            //6、构造响应的字符串
            String response=new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
            //7、输出响应的字符串
            System.out.println(response);
        }

    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient udpEchoClient=new UdpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        udpEchoClient.start();//客户端启动
    }

}

先启动服务端，再启动客户端，否则无法顺利完成通信。

通信结果：

客户端和服务端通信的流程图解：

为什么客户端不需要指定一个特定的端口号呢？

首先，客户端指定特定的端口号，如果该端口号被占用，那么就无法取得和服务端的通信了，会抛出BindException异常。其次，客户端是不可控的，因为客户端往往是有很多台的，不同客户端的程序运行情况我们是不知道的，无法有效的进行控制，这些不受到我们程序员的控制，所以不如让客户端自由分配一个可以使用的端口号即可，而服务端是可控的，程序员可以手动的控制服务端的端口占用情况是非常方便的，如果是随机分配的反而会提高程序员的工作难度。