【计算机网络】网络编程套接字之UDP数据报套接字——含详细图解和代码注释

引言：

在我们一起学习UDP数据报套接字编程之前，让我们先一起简单的来了解一下什么是网络编程

什么是网络编程

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）。

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。
但是，我们一定要明确，我们的目的是提供网络上不同主机，基于网络来传输数据资源：

• 进程A：编程来获取网络资源
• 进程B：编程来提供网络资源

网络编程中的基本概念

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

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。

好比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
对于服务来说，一般是提供：

• 客户端获取服务资源
• 客户端保存资源在服务端

下面开始我们今天的正文⬇️⬇️⬇️

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

Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：

1. 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。

以下为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

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。

2. 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。

以下为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

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。

3. 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。（简单了解即可）

今天我们主要学习的是Socket套接字的第二类:数据报套接字

UDP数据报套接字编程

DatagramSocket API

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

DatagramSocket 构造方法

DatagramSocket 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(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

DatagramPacket API

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 方法

案例及图解

案例一（回显服务）

在进行网络编程时，第一步就需要先准备好socket实例，这是进行网络编程的大前提！！！

由上图中可知多个进程不能绑定同一个端口（会抛异常），那么一个进程能不能绑定多个端口呢❓❓❓答案是可以的❗❗❗这就相当于说虽然两个人不能有相同的电话号码，但是一个人可以有多张电话卡，有多个手机号码，而一个进程也可以创建多个socket对象，每个socket对象都绑定自己的端口。

服务器启动三步骤：

1. 读取客户端发来的请求
2. 根据请求计算响应（由于我们现在实现的是回显服务，所以此步可省略）
3. 把响应写回到客户端

服务器端主要图解：

客户端主要图解：

代码实现：
服务器端：

package network;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;

public class UdpEchoServer {
    //进行网络编程，第一步就需要先准备好socket实例，这是进行网络编程的大前提
    private DatagramSocket socket=null;
    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket=new DatagramSocket(port);
    }
    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("启动服务器");
        //UDP不需要建立连接，直接接收从客户端发来的数据即可
        while (true){
            //1.读取客户端发来的请求
            DatagramPacket requestPacket=new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            socket.receive(requestPacket);//为了接收数据，需要先准备好一个空的DatagramPacket对象
            //把DatagramPacket解析成一个String
            String request=new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength(),
                    "UTF-8");
            //2.根据请求计算响应（由于咱们这是一个回显服务，所以2省略）
            String response=process(request);
            //3.把响应写回到客户端
            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);
        }
    }
    //由于是回显服务，于是响应就和请求一样
    public String process(String request) {
        return request;
    }

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

客户端：

package network;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;
import java.util.Scanner;

public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket=null;
    private String serveIp;
    private int servePort;
    public UdpEchoClient(String ip,int port) throws SocketException {
        //此处的port是服务器的端口
        //客户端启动的时候，不需要给socket指定端口，客户端自己的端口是系统随机分配的
        socket=new DatagramSocket();
        serveIp=ip;
        servePort=port;
    }
    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        Scanner scanner=new Scanner(System.in);
        while(true){
            //1.先从控制台读取用户输入的字符串
            System.out.printf("->");
            String request=scanner.next();
            //2.把这个用户输入的内容，构造成一个UDP请求，并发送
            DatagramPacket requestpacket=new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serveIp),servePort);
            socket.send(requestpacket);
            //3.把服务器读取响应数据，并解析
            DatagramPacket responsepacket=new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            socket.receive(responsepacket);
            String respnse=new String(responsepacket.getData(),0,responsepacket.getLength(),
                    "UTF-8");
            //4.把响应结果显示到控制台上
            System.out.printf("req:%s,resp:%s\n",request,respnse);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //由于服务器和客户端在同一个机器上，使用的IP仍然是127.0.0.1，如果是在不同的机器上，当让就需要更改这里的IP了
        UdpEchoClient client=new UdpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}

结果图如下：（启动了两个客户端）

案例二（程序翻译（英译汉））

请求是一些简单的英文单词，响应也就是英文单词对应的翻译；客户端不变，把服务器代码进行调整即可；主要是调整 process 方法，读取请求并分析，把响应写回给客户端，这俩步骤都一样，关键的逻辑就是 “根据请求处理响应”
代码实现：

package network;

import java.io.IOException;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;

public class UdpDictServe extends UdpEchoServer{
    private HashMap<String,String>hashMap=new HashMap<>();
    public UdpDictServe(int port) throws SocketException {
        super(port);
        hashMap.put("cat","小猫");
        hashMap.put("dog","小狗");
        hashMap.put("apple","苹果");
        hashMap.put("banana","香蕉");
    }

    @Override
    public String process(String request) {
        return hashMap.getOrDefault(request,"该词无法翻译");
    }

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

结果图如下：