UDP和TCP网络编程

news2024/10/5 20:16:42

UDP和TCP网络编程

    • UDP网络编程
      • UDP通信流程（回显服务）
      • 测试
      • 扩展《UDP字典查找单词》
    • TCP网络编程
      • TCP互相通信
      • 测试
    • 缓存区和缓存

UDP网络编程

特点：

  • 无连接：发送数据前不需要建立连接。
  • 不可靠：没有重发机制，无法保证数据的可靠性和顺序。
  • 无拥塞控制：发送方发送数据的速度受限于网络的带宽。
  • 快速：由于没有连接建立和拥塞控制的处理，UDP的传输速度通常比TCP快。
  • 简单：UDP协议的头部较小，仅有8个字节的固定长度头部。

UDP通信流程（回显服务）

实现服务层步骤

  1. 创建一个socket用于通信DatagramSocket

  2. 等待浏览器分配端口port

  3. 使用socket读取用户的请求

    • 启动服务器后如果没有客户端发来请求，则会一直阻塞等待

    • 首先需要创建一个容器packets设置容器大小以字节数组为单位

    • 然后使用socket接收socket.receive(packet);

    • 接收以后，此时的packet中就保存了用户发来的请求

    • 为了方便处理，使用字符串来接收该请求取名为request

  4. 根据请求计算响应数据，因为我们的服务是回显服务，所以只需要返回请求即可response = request

  5. 把响应结果返回给客户端，和刚刚封装请求一样，这里也同样使用一个DatagermPacket 来构造响应数据。

    • 这里的响应取名为responsePacket,需要将客户端的Ip、端口一并与响应数据进行封装
    • 最后使用socket发送响应数据包socket.send(responsePacket);

  6. 打印数据（非必须）

服务器具体代码实现：

public class DirServer {
    //创建一个socket
    DatagramSocket socket =null;

    public DirServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }
    //启动服务器总逻辑
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        while (true){
            //每次循环
            //1. 读取请求并响应
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            //从socket中获取数据存储在packet中
            socket.receive(packet);
            //拿着packet中的字节进行构造
            String request = new String(packet.getData(),0,packet.getLength());
            //2. 根据请求计算响应
            String response = process(request);
            //3. 把响应结果返回给客户端
            // 和请求packet不同，这里构造响应时需要指定目的地，也就是发送请求的客户端的地址
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,packet.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            //打印请求数据和响应数据
            System.out.printf("[%s:%s]req : %s,resp:%s\n",packet.getAddress(),packet.getPort(),request,response);
        }
    }
    //构造响应数据
    public String process(String request) {
        return request;
    }
	//主函数
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DirServer dirServer = new DirServer(9090);
        dirServer.start();
    }

实现客户端步骤

  1. 与服务端相同，这里需要指定一个socket来发送请求，socket需要设置服务器的IP和端口

  2. 输入请求，这里是从控制台获得请求数据使用输入方法Scanner

    • 同样的将这个字符串构造成一个字符串

  3. 把从控制台读取的字符串进行打包，使用DatagramPacket

    • 将请求数据与端口信息和IP地址一同打包在一个requestPacket中
    • 发送请求使用socket.send(requestPacket)
    • 等待服务器的响应

  4. 接收响应数据，也需要使用一个DatagramPacket设置容器的大小用于接收响应socket.receive(responsePacket);

  5. 将响应数据转化为字符串进行显示response

  6. 打印请求数据与响应数据

客户端具体代码实现：

public class DirClient {
    //设置一个全局变量
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp;//IP地址
    private int port;//端口号
	//构造方法，将IP和端口号传入socket中，连接服务器
    public DirClient(String serverIP,int serverPort) throws SocketException {
        //对于客户端来说，不需要显示关联窗口
        //不过也需要端口，系统会根据需求自动分配一个端口
        socket = new DatagramSocket();
        this.serverIp = serverIP;
        this.port = serverPort;
    }
    //启动方法
    public void start() throws IOException {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true){
            //1. 先从控制台读取一个字符串
            //   打印一个提示符，提示用户需要输入的内容
            System.out.print("--》");
            String request = scanner.next();
            //2. 把字符串构成UDP packet进行发送
            // 通过packet打包，需要发送的ip地址及端口号分别设置值，
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIp), port);
            socket.send(requestPacket);
            //3. 客户端尝试收取服务器返回的响应
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
            socket.receive(responsePacket);
            //4.把响应数据转换为String进行显示
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            System.out.printf("req: %s,resp : %s \n",request,response);
        }
    }
	//主函数
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DirClient udpClient = new DirClient("127.0.0.1",9090);
        udpClient.start();
    }
}

测试

🕵️‍♂️先启动服务器，再打开客户端，可以设置一个输入exit就退出的逻辑。

在输入时判断输入的是否为exit

Scanner scanner = new Scanner(System.in);
String request = scanner.next();
if(request.equals("exit"))break;

服务器打印

在这里插入图片描述

客户端打印

在这里插入图片描述

扩展《UDP字典查找单词》

单纯使用一个UDP字典进行回显未免有点无聊😩

反正UDP是进行回显，不如回显一些更有意思的事情，比如困恼我们许久的单词！

  • 设计思路
    1. 使用一个map来保存单词和翻译
    2. 读取客户端的单词
    3. 在map中查找单词的翻译返回响应

我们基于刚刚实现的回显程序，只需要改动一下响应数据即可。

public class AddDir extends DirServer{
    HashMap<String,String> dictionary = new HashMap<>();
    //需要在构造时把单词和翻译写入map
    //读者可根据需要自行修改
    public AddDir(int port) throws SocketException {
        super(port);
        dictionary.put("programmer","程序员");
        dictionary.put("great","厉害");
        dictionary.put("programming","编程");
    }
    @Override
    public String process(String request){
        return dictionary.getOrDefault(request,"没有这个单词");
    }

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

测试：

客户端（出现乱码，是因为使用的字符集不匹配，可以在响应数据中设置编码格式解决）

在这里插入图片描述

服务器：

在这里插入图片描述

TCP网络编程

TCP的特点

  • 面向连接：发送数据前必须先与对方建立连接。
  • 可靠：具有数据的完整性保护和包的顺序控制，能够确保数据的可靠性和正确性。
  • 有拥塞控制：TCP会通过动态调整发送数据的速度，防止网络拥塞。
  • 慢速：连接的建立需要时间，有较长的等待时间和握手过程，传输速度相对缓慢。（三次握手）
  • 复杂：TCP协议的头部较大，有20个字节的固定长度

TCP互相通信

实现服务器步骤：

  1. TCP与UDP不同，需要连接，启动服务器需要传递IP。TCP需要使用另外一个Socket来管理一个用户，所以第一步需要创建两个不同的socket服务器。

    • 外层ServerSocket主要负责对业务处理
    • 内层socket是将请求统一打包给服务器内部
    • 实际ServerSocket只有一个，其他的都是由这个accept分离出去的socket

  2. 通过接收请求的方法accept获取新socket

  3. 创建一对输入输出字符流，使用输入流去读取请求信息，使用输出流返回响应到客户端

    • inputStream输入流接收请求
    • outputStream输出流返回响应

  4. 读取请求数据，请求和响应都可能有多个

  5. 根据请求数据计算响应数据，为了更简单的包装请求，不需要一个一个字节去计算，所以这里设置为字符串类型

  6. 返回响应数据到客户端PrintWriter.println(响应数据)

  7. 打印信息

服务端具体代码实现：

public class TCPEchoServer {
    //外层socket
    ServerSocket socket = null;
    //构造方法
    public  TCPEchoServer(int port) throws IOException {
        socket = new ServerSocket(port);
    }
    //启动方法
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while (true){
            //接收到一个请求
            Socket accept = socket.accept();
            processConnection(accept);
        }
    }
    //通过这个方法处理一个连接
    public void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        System.out.println("客户端上线！"+clientSocket.getLocalSocketAddress().toString());
        //创建一个输入流和输出流
        //在这里需要简单约定一下，每个请求使用\n来分割
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){
            //创建一个字符流，接收响应数据
            //
            Scanner scanner = new Scanner(inputStream);//相当于字符流
            PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream,true);
            while (true){
                //1. 读取请求
                if(!scanner.hasNext()){
                    //读取数据结束，（对端关闭）
                    System.out.println("客户端下线！"+clientSocket.getInetAddress().toString());
                    break;
                }
                String request = scanner.next();
                //2. 根据请求计算响应（调用响应方法）
                String response = process(request);
                //3. 把响应返回给客户端（一个或多个请求或响应）
                writer.println(response);
                System.out.println("address:"+clientSocket.getInetAddress()+"port: "+clientSocket.getPort()+" req:"+request+" reps: "+response);
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            clientSocket.close();
        }

    }
	//返回响应数据
    private String process(String request) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请求："+ request+" 你的回复：");
        String response = scanner.next();
        return response;
    }
	//主函数
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TCPEchoServer tcpEchoServer = new TCPEchoServer(9090);
        tcpEchoServer.start();
    }
}

实现客户端步骤：

  1. TCP可以连接多个客户端进行通信，客户端连接服务器需要创建一个socket
  2. 使用InputStream在控制台接收用户输入的数据
  3. 使用PrintWriter进行封装数据作为客户端请求request
  4. 发送客户端请求printWriter.println(request);
  5. 从服务器接收响应数据。使用一个字符串用于接收响应response
  6. 打印响应数据

具体代码实现：

public class TCPEchoClient {
    //设置一个全局socket
    private Socket socket = null;

    public TCPEchoClient(int port,String serverIp) throws IOException {
        socket = new Socket(serverIp,port);
    }
    public void start(){
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            Scanner scannerFromSocket = new Scanner(inputStream);
            //注意:这里有一个ture意味着刷新缓存区
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream,true);
            while (true){
                //1.从键盘读取请求（用户输入的内容）
                System.out.println("-> ");
                String request = scanner.next();
                //2.将读取的请求，发送给服务器
                //无换行内容
                printWriter.println(request);
                //3.从服务器读取响应内容
                String response = scannerFromSocket.next();
                //4.把响应数据结果显示到控制台
                System.out.println("req: "+request+"resp:"+response);
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
        }
    }
	//主函数
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TCPEchoClient tcpEchoClient = new TCPEchoClient(9090,"127.0.0.1");
        tcpEchoClient.start();
    }
}

测试

服务器

在这里插入图片描述

客户端

在这里插入图片描述

缓存区和缓存

在TCP通信中，如果没有加fulsh刷新缓存区就无法即使读取请求数据，也无法及时收到响应数据，那么这是什么原因导致的呢？

其实，在内存中存在缓存区，缓存区是相当于池子一样的，可以用于存放数据的容器。 而与我们经常提到的缓存是两个不一样的东西，缓存是一种计算机系统的技术。

缓存：

用于提高数据读取和写入效率。当计算机需要执行或者读取某个文件时，会将一部分数据加载到缓存中，下一次需要的时候，直接从缓存中获取即可，避免了不必要的磁盘读写操作，提高访问速度。

缓存区：

计算机分配的一块内存空间，用来存储数据，通常是临时存储，在进行IO操作时，当数据读取到了缓存区，可以由程序直接操作，提高了数据读取效率。

TCP中printWrite首先是在硬盘中写入数据（请求），为了提高效率，数据被写入缓存区，缓存区有一个特性就是满了才会将数据进行统一提交（提交到网卡），这样才能读到请求。显然，这是不现实的，所以这里我们需要进行刷新（Flush）操作。

可使用两种方法进行刷新：

自动刷新（构造PrintWrite时设置）：

PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream/*输出流*/,true);

手动刷新（需要设置在客户端发送请求数据后）：

printWriter.flush();

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