【网络编程】UDP数据报套接字编程和TCP流套接字编程

文章目录

1. 网络编程基础
- 1.1 为什么需要网络编程？
- 1.2 网络编程是什么？
- 1.3 概念
2. Socket套接字
3. UDP数据报套接字编程
- 3.1 DatagramSocket API
- 3.2 DatagramPacket API
- 3.3 InetSocketAddress API
4. UDP构建服务端客户端（一发一收）
- 4.1 创建服务端UdpServer.java：
- 4.2 创建客户端UdpClient.java：
5. UDP构建服务端客户端（翻译）
6. TCP流套接字编程
- 6.1 ServerSocket API
- 6.2 Socket API
- 6.3 TCP中的长短连接
7. TCP构建服务端客户端（一发一收）
- 7.1 创建服务端TcpServer.java
- 7.2 创建客户端TcpClient.java
8. 启动多个客户端

1. 网络编程基础

1.1 为什么需要网络编程？

这是因为在我们本地资源中，里面的内容并不丰富，而且下载的资源大多最终还是来源于网络。
而在网络世界中，里面有大量的资源。例如：当我们在网页中打开一个视频，听一段音乐，看一篇文章等，这些都属于网络资源（能从网络中获得的数据资源）。
这些资源都是通过网络编程进行数据传输，所以网络编程的需要是必不可少的。

1.2 网络编程是什么？

网络编程就是指网络主机通过不同的进程，以编程的方式进行网络通信（或称网络数据传输）。

1.3 概念

发送端：数据发送方的进程，称发送端。发送端的主机即网络通信中的源主机。
接收端：数据接受方的进程，称接受端。接受端的主机即网络通信中的目的主机。
收发端：发送端和接受端简称收发端。
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。
如上图：进程1请求获得资源时，进程1就是发送端，进程2是接收端，进程2响应时，进程2就是发送端，进程1就是接收端。
服务端：提供服务的一端，称为服务端。
客户端：获取服务的一端，称为客户端。
如上图：主机1发出请求，主机2做出响应，那么我们就可以称主机1为客户端，主机2为服务端。

2. Socket套接字

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操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。
分类：

流套接字：使用传输层TCP协议。
TCP的特点：
有连接
可靠传输
面向字节流
有接收缓冲区，也有发送缓冲区
大小不限
数据报套接字：使用传输层UDP协议
UDP的特点：
无连接
不可靠传输
面向数据报
有接收缓冲区，无发送缓冲区
大小受限：一次最多传输64k
原始套接字：原始套接字用于自定义传输层协议，用于读写内核没有处理的IP协议数据。

3. UDP数据报套接字编程

3.1 DatagramSocket API

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

DatagramSocket 构造方法：

方法	作用
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()	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）

        //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 socket1 = new DatagramSocket();//创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机9090端口DatagramSocket socket2 = new DatagramSocket(9090);

DatagramSocket 方法：

方法	作用
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

3.2 DatagramPacket API

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。

DatagramPacket 构造方法：

方法	作用
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	作用
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

3.3 InetSocketAddress API

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

InetSocketAddress （ SocketAddress 的子类）构造方法：

方法	作用
InetSocketAddress(InetAddress addr, int port)	创建一个Socket地址，包含IP地址和端口号

4. UDP构建服务端客户端（一发一收）

知道上面的，就可以创建一个简单的服务端客户端，一发一收，就是客户端请求服务端，请求什么，客户端收到什么。

4.1 创建服务端UdpServer.java：

public class UdpServer {//创建服务器socket，不实例化private DatagramSocket socket = null;public UdpServer(int port) throws SocketException {服务器socket绑定固定的端口socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动！");//服务器放入死循环中，我们并不知道客户端什么时候访问客户端，需要不停的接受客户端的UDP数据报while(true){//1.创建数据报，读取客户端发送数据DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(requestPacket);//转义String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());//2.响应String response = process(request);//3.返回客户端//计算机内部处理数据的基本单位是字节。通过将接收到的数据转义为字节，长度要用字节长度DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),request,response);}}//一发一收public String process(String request){return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {//实例化服务端，端口号为9092UdpServer udpServer = new UdpServer(9092);//启动服务端udpServer.start();}
}

4.2 创建客户端UdpClient.java：

public class UdpClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;public UdpClient(String ip, int port) throws SocketException {serverIp = ip;serverPort = port;socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {System.out.println("客户端启动");Scanner sc = new Scanner(System.in);while(true){//1.输入System.out.println("-> ");String request = sc.next();//2.发送
//            InetSocketAddress inetAddress = new InetSocketAddress(serverIp,serverPort);
//            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
//                    inetAddress);
//			  计算机内部处理数据的基本单位是字节。通过将接收到的数据转义为字节，长度要用字节长度DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);socket.send(requestPacket);//3.读取DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],0,4096);socket.receive(responsePacket);String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());//4.显示System.out.println(response );}}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpClient udpClient = new UdpClient("127.0.0.1",9092);udpClient.start();}
}

运行结果：

5. UDP构建服务端客户端（翻译）

4中服务器并没有什么功能，那么我们也可以为服务器赋予一些功能，例如：翻译。
我们只需要基于4代码的基础上，对服务器进行修改。

创建翻译服务端UdpServer.java：

public class UdpServer {//创建服务器socket，不实例化private DatagramSocket socket = null;//翻译集合private Map<String,String> dict = new HashMap<>();public UdpServer(int port) throws SocketException {//服务器socket绑定固定的端口socket = new DatagramSocket(port);//添加单词dict.put("cat","小猫");dict.put("dog","小狗");dict.put("bird","鸟");}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动！");//服务器放入死循环中，我们并不知道客户端什么时候访问客户端，需要不停的接受客户端的UDP数据报while(true){//1.创建数据报，读取客户端发送数据DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(requestPacket);//转义，计算机内部处理数据的基本单位是字节。通过将接收到的数据转义为字节，服务器可以更容易地处理和解析数据，不会出错String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());//2.响应String response = process(request);//3.返回客户端DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),request,response);}}//一发一收public String process(String request){return dict.getOrDefault(request,"我还是个小菜鸡");}public static void main(String[] args) throws IOException {//实例化服务端，端口号为9092UdpServer udpServer = new UdpServer(9092);//启动服务端udpServer.start();}
}

运行结果：
在这里插入图片描述

其实，相对于4只是修改了一些方法和属性，那么，我们也可以重新写一个类继承4中的服务器，这样会更加的简单。

6. TCP流套接字编程

ServerSocket 是创建TCP服务端Socket的API。

6.1 ServerSocket API

ServerSocket 构造方法：

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

ServerSocket 方法：

方法	作用
Socket accept()	开始监听指定端口（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
void close()	关闭此套接字

6.2 Socket API

Socket 是客户端Socket，或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。
不管是客户端还是服务端Socket，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，及用来与对方收发数据的。

Socket 构造方法：

方法	作用
Socket(String host, intport)	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 方法：

方法	作用
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

6.3 TCP中的长短连接

TCP发送数据时，需要先建立连接，什么时候关闭连接就决定是短连接还是长连接：

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。

对比以上长短连接，两者区别如下：

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。

7. TCP构建服务端客户端（一发一收）

7.1 创建服务端TcpServer.java

public class TcpServer {private ServerSocket serverSocket = null;private ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();public TcpServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动！");while(true){Socket socket = serverSocket.accept();service.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {processConnection(socket);}});
//            Thread thread = new Thread(() -> {
//                processConnection(socket);
//            });
//            thread.start();}}public void processConnection(Socket socket){System.out.printf("客户端上线: [%s:%d]\n",socket.getInetAddress().toString(),socket.getPort());try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){while(true){Scanner sc = new Scanner(inputStream);if(!sc.hasNext()){System.out.printf("客户端下线: [%s:%d]\n",socket.getInetAddress().toString(),socket.getPort());break;}String request = sc.next();String response = process(request);PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);writer.println(response);writer.flush();System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",socket.getInetAddress().toString(),socket.getPort(),request,response);}}catch (IOException e){e.printStackTrace();}finally {try {socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpServer tcpServer = new TcpServer(9090);tcpServer.start();}
}

7.2 创建客户端TcpClient.java

public class TcpClient {private Socket socket = null;public TcpClient(String ip, int port) throws IOException {socket = new Socket(ip,port);}public void start(){System.out.println("客服端启动！");Scanner sc = new Scanner(System.in);try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){while(true){System.out.println("-> ");String request = sc.next();PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);writer.println(request);writer.flush();Scanner scanner = new Scanner(inputStream);String response = scanner.next();System.out.println(response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpClient tcpClient = new TcpClient("127.0.0.1",9090);tcpClient.start();}
}