【JavaEE】网络（2）

一、网络编程套接字

1.1 基础概念

【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；当然，我们只要满足进程不同就行，所以即便是同一个主机，只要是不同进程，基于网络来传输数据，也属于网络编程
【套接字】其实是socket的直译，套接字就是传输层给应用层提供的网络编程API（接口）通过这个接口，应用层程序可以通过这个接口使用传输层提供的服务，而不需要知道它的具体实现

套接字分为两类：流式套接字和数据报套接字

流式套接字是基于TCP协议（一个传输层协议）实现的，TCP是一种面向连接型、可靠传输型、面向字节流、全双工的传输层协议，流式套接字利用这些特性为应用层提供了一个简单的接口，用于发送和接收数据流

数据报套接字是基于UDP协议（也是一个传输层协议）实现的，UDP是一种面向无连接型、不可靠传输型、面向数据报、全双工的传输层协议

1.2 协议特点

接下来讲解以下上述提到的 TCP协议和UDP协议的特点

1）面向有连接型 vs 面向无连接型：通过网络发送数据分为面向有连接和面向无连接

有连接指在发送数据之前，发送端要先和接收端建立一条逻辑意义上的连接，连接建好后才能真正发送数据，数据发送完毕后要断开连接；

就好比打电话，在说话之前，对方要先同意接听，接听并说完话后再挂断电话

无连接则无需考虑建立连接和断开连接，发送端可以在任何时候发送数据，接收端不知道自己会在何时收到数据，所以要时常检查是否收到数据；

这个就像发送电子邮件，发送端可以随时发送，无需让接收端同意，接收端则要时常检查是否有收到邮件

2）可靠传输 vs 不可靠传输：

可靠传输指将要传输的数据尽可能的传输给对方，在网络通信的过程中，会存在"丢包"的情况：A给B传输10个数据报，B收到了9个；

原因是A传输给B，中间可能会经历很多交换机和路由器，这些交换机和路由器不只是转发你的数据，要转发很多数据，当数据很多时，可能会超过它们自身的硬件水平，此时多出来的数据无法转发，会被直接丢弃掉。

TCP为了对抗丢包，内部实现了一些机制（重发）来实现可靠传输（机制后面会详细讲）

不可靠传输指再出现丢包后，也不负责重发，不可靠传输更注重效率，在一些注重效率，对准确性要求不高的场景使用不可靠传输，可靠传输能尽可能保证数据传给接收端，但效率上会大打折扣

3）面向字节流 vs 面向数据报

面向字节流指传输的数据以字节为单位

面向数据报指传输的数据以数据报为单位，传输数据是一个一个数据报，一次读写只能读写完整的数据报，不能读写半个

4）全双工 vs 半双工

全双工指一条链路，能够进行双向通信，后续代码创建socket对象，既可以读(接收)也可以写(发送)

半双工指一条链路，只能进行单向通信

二、UDP-数据报套接字编程

socket API 是由传输层给应用层提供的API，传输层是封装于操作系统内核态的，由操作系统内核直接管理，所以可以理解为socket api是由操作系统内核管理的，而Java对于系统这些API进行了封装，所以使得用户程序可以直接使用这些API

UDP的socket API 有两个重要的类

2.1 DatagramSocket

属于UDP Socket，创建DatagramSocket的对象就可以发送和接收UDP数据报，先来看构造方法：

构造方法	描述
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
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号

普通方法：

普通方法	描述
void receive (DatagramPacket p)	接收数据报，如果没有接收到，该方法就会阻塞等待
void send(DatagramPacket p)	发送数据报，不会阻塞等待，直接发送（无连接）
void close( )	关闭此数据报套接字

当创建一个套接字时，系统会为其分配资源绑定端口号，如果用完不关闭则会导致资源持续被占用

2.2 DatagramPacket

表示UDP Socket发送和接收的数据报，一个DatagramPacket对象就相当于一个UDP数据报

构造方法

描述

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到指定⻓度（第⼆个参数length）address指定⽬的主机的IP 和端⼝号

上述方法可以结合下述代码理解

2.3 模拟回显服务器

回显服务器指客户端发送一个请求给服务端，服务端将这个请求原封不动的作为相应返回给客户端，这就叫回显（请求啥相应就是啥），接下来先编写服务器程序：

public class UdpEchoServer {
    public DatagramSocket socket = null;

    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket =  new DatagramSocket(port); //创建 UDP Socket 并绑定一个端口号
    }
    
}

服务器需要在程序启动的时候，把在服务器程序的端口号确定下来，客户端发送请求时需要知道服务器的IP地址（服务器所在主机的IP）、端口号port

服务器要能够接收客户端发送的数据，socket receive( )；需要向receive传入一个UDP数据报

public class UdpEchoServer {
    public DatagramSocket socket = null;

    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket =  new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        //1) 接收请求
        DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
        //此时创建好的requestPacket 是一个空的数据包
        //requestPacket包含两个部分1.报头 2.载荷
        //字节数组用来存储数据

        socket.receive(requestPacket); 
        //客户端会send一个数据包, 就会跳转到这里
        //此时由requestPacket 是一个预留好空间的空数据包

        // 为了方便在 java 代码中处理 (尤其是后面进行打印) 可以把上述数据报中的二进制数据, 拿出来, 构造成 String
        String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
    }

}

接收来自客户端的请求后，经过处理后将响应返回给客户端，那么该如何知道应该给哪个客户端返回响应，在我们receive接收到的数据包里就包含了这个数据包来自于哪个IP，来自于哪个端口号（客户端）

// 2) 根据请求计算响应
String response = this.process(request);
// 3) 把响应写回到客户端
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), 0, response.getBytes().length, requestPacket.getSocketAddress());
socket.send(responsePacket);

requestPacket.getSocketAddress() 这个方法返回的对象里就包含了客户端的IP地址和端口号

上述代码干的事情就是将字符串类型的二进制数据再构造会UDP数据包并发送给客户端

服务端完整代码如下：

public class UdpEchoServer {
    private DatagramSocket socket = null;

    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        System.out.println("服务器启动!");
        while (true) { // 服务器需要7*24小时持续接收并处理请求
            // 1) 读取请求并解析
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(requestPacket);
            //receive方法中的requestPacket是一个空的数据包，客户端程序通过send方法发送有数据的数据包后
            //会直接跳转到这里的receive方法，而这里的requestPacket是一个预留好空间的空数据包


            // 为了方便在 java 代码中处理 (尤其是后面进行打印) 可以把上述数据报中的二进制数据, 拿出来, 构造成 String
            String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());//将字节数组构造成String类的对象
            // 2) 根据请求计算响应
            String response = this.process(request);
            // 3) 把响应写回到客户端
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), 0, response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);

            System.out.printf("[%s:%d] req=%s, resp=%s\n", requestPacket.getAddress(), requestPacket.getPort(),
                    request, response); // 从左到右依次为: IP地址，端口号，请求，响应
        }
    }

    // 由于当前写的是 "回显服务器"
    public String process(String request) {
        return request;
    }

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

接下来写客户端代码：

首先客户端需要知道服务器的IP和端口号，端口号是我们之前就设置的9090，IP用127.0.0.1，当服务器和客户端在一个主机上，就用环回IP，这是系统提供的特殊的IP

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

    public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
        // 这俩信息需要额外记录下来, 以备后续使用.
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
    }
}

上述构造socket对象没有指定端口号，这样操作系统会分配一个空闲的端口号，这个端口号每次重新启动程序都不一样

// 1. 从控制台读取用户输入
String request = scanner.next();
// 2. 构造请求并发送
// 构造请求数据报的时候, 不光要有数据, 还要有 "目标 "
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), 0, request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);
socket.send(requestPacket); //发送数据包

上述InetAddress.getByName(serverIp)是将字符串格式的IP地址转成Java能识别的InetAddress对象

发送完数据包，服务器经过处理返回响应，客户端就要接收响应

// 3. 读取响应数据
//构造一个空的数据包负责接收服务器返回的响应
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);

socket.receive(responsePacket);
// 4. 显示响应到控制台上.
String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());
System.out.println(response);

在第2步执行完send后，客户端程序紧接着到第三步的receive，由于从发送请求到返回响应需要些时间，所以这里receive会阻塞，阻塞到接收到服务器返回响应

完整的客户端代码如下：

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

    public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
        // 这俩信息需要额外记录下来, 以备后续使用.
        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) {
            System.out.print("请输入要发送的请求: ");
            // 1. 从控制台读取用户输入
            String request = scanner.next();
            // 2. 构造请求并发送
            // 构造请求数据报的时候, 不光要有数据, 还要有 "目标"
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), 0, request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            // 3. 读取响应数据
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(responsePacket);
            // 4. 显示响应到控制台上.
            String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());
            System.out.println(response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
        // UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("139.155.74.81", 9090);
        client.start();
    }
}

接下来启动服务器程序和客户端程序：

客户端可以不断发送请求并得到响应