网络编程_UDP socket

网络编程

在进行具体介绍和编写代码之前,先来了解一下网络编程是什么,和网络编程中的一些相关基础知识,了解这些可以更好的理解后面部分

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）。

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。

我写这篇博客给读者看,那我就是发送端,读者就是接受端.

同时读者在看完文章之后,发现了博客中的错误,在评论区给我留言,我看到留言.此时,留言的读者就是发送端,我就是接受方

我这篇博客,过了很久,我再看我现在写的博客,我就是收发端.

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。

最简单的餐厅吃饭举例 :

我们去餐厅吃饭,坐下点餐,我要吃这个这个,还有那个那个(我点餐的操作就是请求),餐厅收到了我的请求,安排厨师炒菜,菜好之后,上菜.(此时餐厅对我的请求做出了响应)

客户端和服务器

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。

好比在银行办事：

• 银行提供存款服务：用户（客户端）保存资源（现金）在银行（服务端）
• 银行提供取款服务：用户（客户端）获取服务端资源（银行替用户保管的现金）

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：

1. 客户端先发送请求到服务端

2. 服务端根据请求数据，执行相应的业务处理

3. 服务端返回响应：发送业务处理结果

4. 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）

Socket套接字

概念

Socket套接字，是由操作系统给用于应用程序提供的一组API，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 可以视为是应用层和传输层之间的通信桥梁

分类

Socket针对传输层协议主要分为两类

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

以下为TCP的特点

• 有连接
• 可靠传输
• 面向字节流
• 全双工

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。

以下为UDP的特点

• 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。

关于TCP和UDP的特点解释:

有连接:就像打电话,要先接通才可以交互数据

无连接:像发微信,不需要接通,直接就可以发送数据

可靠传输:传输过程中,发送方知道接收方有没有收到数据

不可开传输:传输过程中,发送方不直达接收方有没有收到数据

面向字节流:以字节为单位进行传输(类似于文件操作中的字节流)

面向数据报:以数据报为单位进行传输(一个数据都会明确大小)一次发送/接收必须有一个完整的数据报,不可以是半个,也不可以是一个半

全双工:一条链路,双向通信

半双工:一条链路,单向通信

UDP数据报套接字编程

UDP socket主要涉及两个类

DatagramSocket API

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
DatagramScoket()	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数据报套接字到Socket,绑定本机指定的一个端口(一般用于服务端)

DatagramSocket 方法：

方法签名	方法说明
void receive(DatagramePackt 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)	从此套接字发送一个数据报(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

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。

InetSocketAddress API

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

在了解了UDP数据报套接字的一些方法后,写一个简单的客户端服务器程序,回显服务 EchoServer(请求内容是啥,得到的相应就是啥)

实例一

回显服务

这里将从零开始,一步一步的进行这个客户端服务器程序的创建,更好的理解各个部分的工作原理

private DatagramSocket socket =null;

第一步就是需要创建一个socket实例,这是进行网络编程的大前提

public UDPEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
}

此处在构造一个socket对象的时候需要显示的绑定一个端口号,端口号是为了区别一个应用程序,主要收到网卡上的数据的时候,这个数据就该给那个程序

端口号可以自己定,也可以系统分配,当前写法就是自己定的

此处构造socket对象会有失败的原因:

1 端口号被占用了,比如两个人不可以使用相同的电话号码同一个主要的两个程序不可以有相同的端口号

2 每个能够打开的文件个数是有上限的,如果进程之前已经打开了很多的文件,就可能导致此处的socket文件不能顺利打开

在启动服务器我们需要做的事情

1. 读取客户端发送的请求
2. 根据请求计算机相应(回响服务, 2省略
3. 把相应写回到客户端

DatagramPacket就表示一个数据报

发送一个请求,就是在发一个DatagramPacket

接受一次请求,就是在收一个DatagramPacket

此处的receive方法可能会阻塞

最后服务器端的代码就写好了

public class UdpEchoServer {
    //进行网络编程,第一步就是创建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,直接接收从客户端传的数据
        while(true){
            //1. 读取客户端发送的请求
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            socket.receive(requestPacket);
            //把DatagramPacket 解析成一个String

            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            //2. 根据请求计算机相应(回响服务, 2省略
            String response = process(request);
            //3. 把相应写回到客户端
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),
                    0,response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            System.out.printf("[%s ] req: %s ,resp:%s \n",requestPacket.getSocketAddress().toString(),
                    request,response);
        }
    }

    protected String process(String request) {
        return  request;
    }

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

服务器端写完了,接下来就写客户端的代码

    DatagramSocket socket = null;
    
    public UDPEchoClient() throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
    }

这里使用的是无参的构造socket方法,此时不需要手动的去定一个端口号,而是操作系统自动的分配一个空闲的端口号

通常写代码的时候,服务器的端口号都是手动指定,客户端的端口号都是自动指定的

对于服务器来说.必须手动指定,后续客户端根据这个端口访问服务器 ,如果让系统随机分配,客户端就不知道服务器的端口号是啥,不能访问

对于客户端来说,如果手动指定也可以,但是没有系统随机分配的好.一个机器的两个进程不能绑定同一个端口号,客户端是普通用户的电脑,无法知道用户电脑都装了什么程序,也不知道用户电脑已经占用了那些端口号,如果手动指定一个端口号,万一这个端口号被其他进程占用,程序就无法正常工作.

由于客户端是主动发送请求的一方,客户端需要在发送请求之前,知道服务器的地址+端口,但是返过来在请求发出去之前,服务器是不需要实现知道客户端的地址+端口

此时的构造方法加入了服务器的ip地址和端口号,在DatagramPacket中分别加入的IP地址和端口号,可以很明确的将客户端的数据报传给服务器

在写代码的时候,会涉及一系列的ip和端口 五元组

源IP 源端口 目的IP 目的端口 协议类型

此时站在客户端来看

源IP 本机 IP

源端口 系统分配的端口

目的IP 服务器的IP

目的端口 服务器端口

协议类型 UDP

public class UdpEchoClient {

    DatagramSocket socket = null;
    private String serverIP;
    private int serverPort;

    public UdpEchoClient(String ip, int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
        this.serverIP = ip;
        this.serverPort = port;

    }
    public void start() throws IOException {
        Scanner in = new Scanner(System.in);
        while(true){
            //1 先从控制台读取用户输入字符串
            System.out.print("->");
            String request = in.next();
            //2 将用户输入内容,构造成UDP请求
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),
                    request.getBytes().length
            , InetAddress.getByName(serverIP),serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            //3 从服务读取响应数据,并解析
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getData().length);
            //4 把响应的结果显示到控制台上
            System.out.printf("req: %s ,resp:%s \n",request,response);

        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}

案例二

写一个简单程序,带上一些逻辑(翻译程序英译汉)

此时在之前的客户端代码不做更改,服务器代码进行调整主要是调整process方法

public class UdpDictServer extends UdpEchoServer{

    private HashMap<String ,String> dic = new HashMap<>();

    public UdpDictServer(int port) throws SocketException {
        super(port);
        dic.put("cat","小猫");
        dic.put("dag","小狗");
        dic.put("fish","小鱼");
    }

    @Override
    protected String process(String request) {
        return dic.getOrDefault(request,"没有找到此单词");
    }

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

}