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 TCP 与 UDP

Socket套接字

UDP

TCP

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网络基础知识   在一篇文章中，我们了解了基础的网络知识，网络的出现就是为了不同机器之间进行通信从而实现资源共享。现如今我们使用网络进行的一系列操作，打游戏、网上购物、网上聊天等都是客户端与服务器之间通信，准确的来说是多个客户端之间通过服务器这个平台来实现通信。而今天我们就是要来实现一个最简单的服务器与客户端。在此之前还得了解一些基本概念。

 TCP 与 UDP

上文了解了 TCP/IP 五层协议的基本分层，在以后的日常开发中，写的一些应用程序都是工作在应用层，而应用层是基于传输层的，我们也是需要了解传输层的传输协议的，主要是两个协议：TCP协议 与 UDP 协议。 

TCP 是 有连接、可靠传输、面向字节流、全双工。

UDP 是 无连接、不可靠传输、面向数据报、全双工。

连接：是指通信双方是否会保存对方的信息。有连接就说明，通信的双方会保存对方的信息。

可靠传输：由于数据在经过封装之后，是通过网卡将二进制的数据传输给另一方的，这里的二进制是通过电信号或者光信号传播的，而这种传播方式肯定是会收到外界的影响，例如，太阳爆发耀斑等情况就会影响数据的传输。因此数据传输的过程中可能会失败，如果传输失败之后，有提醒重新传输的话，这就是可靠传输，反之，传输之后不管不顾了，这就是不可靠传输。

面向字节流与面向数据报是指两者的数据传输的方式不一样，虽然最终通过网卡出去的数据都是二进制的，但是在通过传输层时，会根据协议的不同，而选择不同的方式。使用UDP传输时，就需要将数据封装成数据包的形式继续传给下一层。

全双工：是指数据既可以从一方传向另一方，也可以从另一方传向这一方，也就是和车流量一样，既有从左到右的车流，也有从右到左的车流。与之相反的一个名词是：半双工，这个就和管中的水流一样，只能从一方流向另一方，而不能从同时有两个方向的水流。

了解了TCP 与 UDP 的基本点之后，还需要了解 JVM对于操作系统提供的API封装后的结果，毕竟我们通过Java代码来编写网络编程时，是直接使用Java标准库中提供的类。

Socket套接字

Socket套接字，是由操作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。而经过JVM封装之后，就主要是针对 TCP 和 UDP 的。

UDP

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。

因为操作系统为了方面更好的管理系统资源（包括硬件资源），所以操作系统采用了文件管理的方式来管理这些资源，这也就意味着某个应用程序去使用这些资源时，就和使用文件资源没什么区别了，也就是打开文件、使用文件、关闭文件。因此网卡资源的使用也是如此。

1、打开网卡资源

2、进行读写操作

3、关闭网卡资源

下面就来学习相关方法：

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

构造方法	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 (一般用于服务器)

普通方法	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

这里的数据报套接字我们可以简单的理解为网卡资源，receive方法就是通过网卡接收数据，send方法就是通过网卡发送数据。 构造方法是在打开网卡资源，close方法就是在关闭网卡资源。

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。

注意区分上述两个概念：DatagramSocket 是用来传送与接收数据报的，而DatagramPacket 是数据报本身的一层封装，简单理解就是数据报本身。生活中的例子，就是DatagramSocket 是属于快递站，而DatagramPacket 是属于包裹。包裹要通过快递站的分拣传递出去。

构造方法	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offset到指定长 度（第二个参数length）。address指定目的主机的IP 和端口号

具体方法	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

 由于UDP是无连接的，因此构造UDP发送的数据报时，需要传入 SocketAddress ，该对象可以使用 InetSocketAddresS 来创建。即 InetSocketAddress 是 SocketAddress 的子类。

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

先来理解服务器与客户端这个两个名词的含义： 

举个例子：我们去学校食堂吃饭时，可能某个窗口的饭菜比较好吃，那么我们下一次或者以后都有可能会去这个窗口吃饭，而这个窗口肯定是一直在这个食堂的某个固定地点的，而这个窗口所服务的学生不是固定的，每个学生去吃饭时，肯定也是随机选择的座位坐下来吃饭。

针对上面的情况，食堂的窗口就是服务器，吃饭的学生就是客户端，客户端会给服务器提供请求（我们会把吃的菜告诉食堂阿姨），服务器会给客户端提供响应（食堂阿姨就会给我们打对应的菜）。因为服务器（食堂窗口）是需要给多个客户端提供响应，如果这个服务器的端口老是发生变化（窗口老是发生变化），那肯定是不方便客户端去访问的，因此服务器的IP与端口都是在一段时间内固定的，而客户端的端口（学生在吃饭找的座位）肯定是随机的，如果某个学生没在这里，但是他占了一个位置，那么肯定是不合理的，同样某个客户端没有启动进程访问服务器时，一直把端口号给踹在怀里肯定也是会对别的进程造成影响的（端口号是有限的）。

有了以上信息，我们就可以来写一个最简单服务器：回显服务器（接收到的请求就是响应，即接收的请求是什么，服务器返回的响应也就是什么，类似于鹦鹉学舌）。

服务器的处理逻辑：1、接收请求并解析；2、根据请求计算响应；3、将相应发送给响应的客户端；4、打印日志。

public class UdpEchoServer {// 创建网卡资源DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {// 指定本机的一个固定端口号为服务器的端口号socket = new DatagramSocket(port);}// 启动服务器方法public void start() throws IOException {// 由于服务器是7*24小时的工作制，因此得死循环System.out.println("服务器启动成功~");while (true) {// 1、网卡接收请求并解析// 创建一个数据报来接收请求的具体内容// 数据报其实就是一个用来存储数据的包裹：字节数组+长度组成DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(requestPacket); // 将得到的数据存储在数据报的字节数组中// 将数据报中的内容转成字符串为后续处理做准备String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength()); // 数据的有效长度// 2、根据请求计算响应String response = process(request);// 3、将响应返回给客户端// 也是通过数据报的形式// 由于UDP是无连接的，因此我们得手动去设置发送的IP与端口号DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), 0, response.getBytes().length,requestPacket.getAddress(), requestPacket.getPort());socket.send(responsePacket);// 4、打印日志：客户端IP、客户端端口号、请求、响应System.out.printf("[%s %d]  request:%s  response:%s\n", requestPacket.getAddress(),requestPacket.getPort(), request, response);}}// 后续如果要修改服务器的功能，就只需要重载process方法即可private String process(String request) {return request; // 回显服务器的功能}public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建一个服务器实例并启动服务器UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

有了服务器之后，就可以来创建客户端程序了。

public class UdpEchoClient {DatagramSocket socket = null;// UDP是不连接，因此客户端得保存对应服务器的IP与端口号private String serverIP = null;private int serverPort = 0;// 指定需要访问的服务器IP与端口号public UdpEchoClient(String serverIP, int serverPort) {this.serverIP = serverIP;this.serverPort = serverPort;}public void start() throws IOException {System.out.println("客户端启动成功(exit退出)~");// 创建网卡资源socket = new DatagramSocket();while (true) {// 1、开始接收用户的输入Scanner scanner = new Scanner(System.in);String request = scanner.nextLine();if (request.equals("exit")) {socket.close(); // 释放网卡资源System.out.println("客户端成功退出~")break;}// 2、将输入数据打包成数据报 （指定服务器IP与端口号）DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), 0 ,request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIP), serverPort);// 3、然后再给到服务器socket.send(requestPacket);// 4、接收服务器的响应DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(responsePacket);// 5、处理响应：打印响应的结果String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength()); // 有效的长度System.out.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {// 指定对应服务器的IP与端口号UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

注意：127.0.0.1 这就是代指当前机器的IP。 

运行结果：

客户端：

服务器：

由上图可知，客户端的运行与否和服务器没什么关系，服务器在正常运行的情况下会一直记录客户端的访问信息。 

下面就来使用另外一种协议来实现回显服务器：

TCP

ServerSocket 是创建TCP的服务器Socket的APl。

ServerSocket ：

构造方法	说明
ServerSocket(int port)	创建一个服务器流套接字Socket，并绑定到指定端口

具体方法	说明
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

Socket：

Socket是客户端Socket，或服务器中接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务器Socket。不管是客户端还是服务器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。

构造方法	说明
Socket(String host, int port)	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

 这里的构造方法有很多，但是常用的就是通过 String类型的host 来建立连接的。

具体方法	说明
InetAddress getlnetAddress()	返回套接字所连接的地址（对端）
int getPort()	返回套接字所连接的端口号（对端）
InputStream getlnputStream()	返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()	返回此套接字的输出流

对端：这个概念是相对的，站在服务器的角度，对端是指客户端；站在客户端的角度，对端指的是服务器。当然，也是可以获取本地程序的地址和端口号的， 使用的是 getLocalPort ，站在服务器的角度，获取的就是服务器自己所在端口。

这里的ServerSocket 可以理解为网卡资源，而Socket 就是保存TCP连接双方的连接。服务器的连接有很多个，因此我们需要为其申请网卡资源来随时获取新的连接。而客户端只需要和服务器连接即可，因此只需要去尝试申请对应的IP地址与端口号进行连接即可。

总体的实现思路还是和上面的UDP差不多，但是具体的实现方式有不同。

服务器：

public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket;public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动成功~");while (true) {System.out.println("等待客户端连接...");Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("客户端连接成功：" + socket.getInetAddress() + ":" + socket.getPort());// 处理客户端连接，进入通信过程handleClient(socket);}}private void handleClient(Socket socket) throws IOException {try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {while (true) {byte[] buffer = new byte[4096];int len = 0;StringBuilder sb = new StringBuilder();// 循环读取客户端请求并响应while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1) {sb.append(new String(buffer, 0, len));if (sb.toString().contains("\n")) {// 检测到换行符，认为请求结束break;}}String request = sb.toString();// 根据请求计算响应String response = process(request);// 先判断连接是否终止了if (socket.isClosed()) {return;}// 将响应返回给客户端outputStream.write(response.getBytes());outputStream.flush(); // 刷新缓冲区}} finally {socket.close();System.out.println("客户端已断开连接");}}private String process(String request) {return request+"\n";}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);server.start();}
}

客户端：

public class TcpEchoClient {private String serverIp;private int serverPort;public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) {this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;}public void start() throws IOException {try (Socket socket = new Socket(serverIp, serverPort);OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();InputStream inputStream = socket.getInputStream();Scanner scanner = new Scanner(System.in)) {System.out.println("客户端连接服务器成功~");// 循环发送请求并接收响应while (true) {System.out.print("输入请求数据(exit退出): ");// 加上换行符，让服务器在读取数据时，知道这个是结束的标志String request = scanner.nextLine()+"\n";if (request.equals("exit\n")) { // 因为手动加上了换行符，因此判断也要加上System.out.println("客户端请求断开连接");break;}// 发送请求数据outputStream.write(request.getBytes());outputStream.flush(); // 刷新缓冲区，更好地让数据发送// 接收服务器响应byte[] buffer = new byte[4096];StringBuilder responseBuilder = new StringBuilder();int len = 0;// 使用while循环读取直到服务器停止发送while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1) {responseBuilder.append(new String(buffer, 0, len));if (responseBuilder.toString().contains("\n")) { // 检测到换行符，认为响应完整break;}}// 打印完整的响应String response = responseBuilder.toString();System.out.print("接收到服务器响应: " + response);}}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

注意：

1、 因为TCP是字节流，因此我们使用的是前面文件IO操作的字节流来进行发送与读取数据。但方式略微不同，我们需使用连接获取字节输入流与字节输出流。

2、由于这里的输入输出流是建立在连接之上的，我们不知道什么时候输入与输出结束，因此我们得手动地去设置结束标志或者使用socket的shoudownOutput，后者不推荐使用，后者是直接关闭了输出流，从而导致连接中断，可能会影响后续程序逻辑的执行，而前者是我们手动地去使用标记符来判断，这样的处理更好。

3、对于资源的关闭，也应该即使去做，这里是Socket、InputStream、OutputStream等资源都需要我们手动地去关闭，防止造成资源泄露，特别是Socket资源，可能会有非常多个客户端要建立连接，但是资源有限，因此会阻塞等待后面的，如果不释放的话，就导致后续客户端无法申请到。

上述代码虽然能够达到基本的运行效果，但是还存在部分缺陷（TCP的代码）：

1、同一时刻只能有一个客户端去执行服务器的逻辑，因为我们在处理请求时，也是使用的一个循环，因此这里就会导致服务器的逻辑卡在了处理请求的代码中，而不会去尝试建立新的连接。

解决方法：多线程。将处理请求的代码放到一个新的线程中，这样后续的客户端都只会占用别的线程，而不会占用main线程。

2、在引入多线程的基础上，又有一个新的问题来了：如果客户端的请求非常简单（回显这种），且同一时刻有非常多的客户端去申请服务器为其服务的话，这时候就会出现线程频繁地创建与删除，这就会导致服务器的性能比较低，因此我们可以创建一个线程池来解决上述问题。

以上就是使用TCP与UDP实现网络通信的基本过程，后面我们在学习TCP与UDP的通信保障与具体实现等。

好啦！本期 初始JavaEE篇 —— 网络编程（2）：了解套接字，从0到1实现回显服务器 的学习之旅就到此结束啦！我们下一期再一起学习吧！