【JavaEE精炼宝库】网络编程套接字——初识网络编程

文章目录

一、网络编程基础
- 1.1 网络编程的意义：
- 1.2 网络编程的概念：
- 1.3 网络编程的术语解释：
- 1.4 常见的客户端服务端模型：
二、Socket 套接字
- 2.1 Socket 套接字的概念：
- 2.2 Socket 套接字的分类：
三、UDP数据报套接字编程
- 3.1 API 介绍：
- - 3.1.1 DatagramSocket：
  - 3.1.2 DatagramPacket：
  - 3.1.3 InetSocketAddress：
- 3.2 Java数据报套接字通信模型：
- 3.3 代码示例：
- - 3.3.1 UDP Echo Server：
  - 3.3.2 UDP Echo Client：

一、网络编程基础

1.1 网络编程的意义：

网络编程的意义在于可以获取到丰富的网络资源。

用户在浏览器中，打开b站，实质是通过网络，获取到网络上的一个视频资源。

与本地打开视频文件类似，只是视频文件这个资源的来源是网络。相比本地资源来说，网络提供了更为丰富的网络资源。

所谓的网络资源，其实就是在网络中可以获取的各种数据资源。而所有的网络资源，都是通过网络编程来进行数据传输的。

1.2 网络编程的概念：

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（或称为网络数据传输）。
在这里插入图片描述
注意：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。

1.3 网络编程的术语解释：

发送端和接收端：

在一次网络数据传输时：

发送端：数据的发送方进程，称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机。

接收端：数据的接收方进程，称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机。

收发端：发送端和接收端两端，也简称为收发端。

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。

请求和响应：

请求（Request）：是客户端向服务器发送的信息，用于请求特定的资源或执行特定的操作。
响应（Response）：是服务器对客户端请求的回复。

一般来说，获取一个网络资源，涉及到两次网络数据传输：第一次：请求数据的发送，第二次：响应数据的发送。

举个栗子：在快餐店点一份炒饭，先要发起请求：点⼀份炒饭，再有快餐店提供的对应响应，提供一份炒饭。

客户端和服务端：

服务端：在常见的网络数据传输场景下，把提供服务的一方进程，称为服务端，可以提供对外服务。

客户端：获取服务的一方进程，称为客户端。

1.4 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，服务端是提供用户服务的程序。

客户端先发送请求到服务端。
服务端根据请求数据，执行相应的业务处理。
服务端返回响应，发送业务处理结果。
客户端根据响应数据，展示处理结果（展示获取的资源，或提示保存资源的处理结果）。

在这里插入图片描述

二、Socket 套接字

2.1 Socket 套接字的概念：

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。socket 可以简单理解为操作系统提供的网络编程的 API 统称。

2.2 Socket 套接字的分类：

Socket 套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：

流套接字：使用传输层TCP协议。

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

其特点为：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。（术语不了解没有关系，在 2.2 的最后面有统一解释）

对于字节流来说，可以简单的理解为，传输数据是基于IO流，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。

数据报套接字：使用传输层UDP协议。

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

其特点为：无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工。

对于数据报来说，可以简单的理解为，传输数据是一块一块的，发送一块数据，假如100个字节，必须一次发送，接收也必须一次接收100个字节，而不能分100次，每次接收1个字节。

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。我们不学习原始套接字，简单了解即可。

术语解释：

有连接 | 无连接：

有连接：通信双方保存对方的信息。
无连接：通信双反不需要保存对方的信息。

可靠传输 | 不可靠传输：

注意：可靠不等于安全。

安全：传输的数据，是否容易被黑客截获掉，一旦被截获之后，是否会造成严重的影响。
可靠：传输的数据，尽可能（不是完全）地传输给对方。

可靠传输是有代价的，传输的效率会大打折扣。所以UDP 比 TCP 快。

面向字节流 | 面向数据报：

字节流，比喻成水流一样，读写操作非常灵活。数据报就不是了，传输数据的基本单位，是一个个的 UDP 数据报，一次读写，只能读写一个完整的 UDP 数据报。

全双工 | 半双工：

全双工：一条链路，能够进行双向通信。（TCP，UDP 都是全双工，后续代码中，创建 socket 对象，既可以读，也可以写）

半双工：一条链路，只能进行单向通信。

三、UDP数据报套接字编程

3.1 API 介绍：

主要涉及到两个类：DatagramSocket，DatagramPacket。

3.1.1 DatagramSocket：

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

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（一般用于服务端）。

DatagramSocket 普通方法：

方法签名	方法说明
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(DatagramPacket p)	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。

3.1.2 DatagramPacket：

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。

DatagramPacket 构造方法：

方法签名	方法说明
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 普通方法：

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

3.1.3 InetSocketAddress：

InetSocketAddress（SocketAddress 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。

3.2 Java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，并且一次发送全部数据报，一次接收全部的数据报。

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。对于一个服务端来说，重要的是提供多个客户端的请求处理及响应，流程如下：

3.3 代码示例：

根据 3.2 的 Java 数据报套接字通信模型可以得到下面回显服务器。
所谓回显就是请求和响应是相同的。即请求不做任何处理，直接返回。

3.3.1 UDP Echo Server：

在代码中细节点都有注释，这里就不再赘述。

服务器的端口号只要是在0 ~ 65535之间的没有被占用的端口号都行。

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;//创建一个有端口号的 Udp 数据包套接字public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动!");while(true){//1.获取请求DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],0,4096);socket.receive(requestPacket);//2.根据请求计算响应//方便后续处理，这里直接将 byte 转化成 StringString request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());//计算响应String respond = this.process(request);//3.把响应写回到客户端DatagramPacket respondPacket = new DatagramPacket(respond.getBytes(),0,respond.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(respondPacket);//打印日志System.out.printf("[%s:%d] req:%s resp:%s\n",requestPacket.getAddress(),requestPacket.getPort(),request,respond);}}//回显，所以直接返回即可public String process(String request){return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

3.3.2 UDP Echo Client：

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;public class UdpEchoClient {//Udp 数据报套接字private DatagramSocket socket = null;//服务器的 IP 地址private String serverIp = null;//服务器的端口号private int serverPort;public UdpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {System.out.println("客户端启动!");Scanner in = new Scanner(System.in);while(true){//提示用户从控制台输入数据System.out.print("请输入请求:");String request = in.next();//构造请求并发送DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),0,request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);socket.send(requestPacket);//读取响应DatagramPacket respondPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],0,4096);socket.receive(respondPacket);//打印响应到控制台String respond = new String(respondPacket.getData(),0,respondPacket.getLength());System.out.println(respond);}}public static void main(String[] args) throws IOException {//输入自己电脑的IP地址UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("172.20.10.4",9090);client.start();}
}