2023.9.8 基于传输层协议 UDP 和 TCP 编写网络通信程序

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UDP

基于 UDP 编写网络通信程序

服务器代码

客户端代码

 TCP

基于 TCP 编写网络通信程序

服务器代码

客户端代码

 IDEA 打开 支持多客户端模式 

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UDP

特点：

• 无连接性：发送端和接收端不需要建立连接也可相互通信，且每个 UDP 数据包都是独立的，它们之间没有顺序关系（无序性）
• 不可靠性：不提供重传机制和数据包的确认，如果数据包在传输过程中丢失或损坏，接收端无法得知丢失的数据，并且不会进行重传，从而体现出传输时的不可靠性
• 全双工通信：即发送端和接收端可以同时进行数据的发送和接收，不需要等待对方的响应
• 面向数据报：UDP 将每个数据作为一个独立的数据单元进行处理，每个数据报都有自己的目标地址和源地址，没有关联性，也没有连接的概念
• 适用于实时应用：由于 UDP 的无连接性和较低的延迟，其适用于如音频、视频流媒体、实时游戏等对实时性要求较高的应用场景，对于上述应用，即使有部分数据丢失也可接收，因为其实时性比数据完整性更重要
• 简单高效性：UDP 的头部较小，没有 TCP 那么复杂，从而使得 UDP 在数据传输的开销上相对较小，传输效率更高
• 没有拥塞控制：UDP 不会主动根据网络的拥塞情况来调整其发送速率，可能导致在网络拥堵的情况下，UDP 数据包丢失更多
• 支持广播和多播：广播和多播都是 UDP 协议提供的数据传输方式，可在局域网或广域网中使用，它们都具有一对多的传输能力，能够将数据发送给多个目标主机。广播发送给整个网络，而多播发送给特定的多播组，只有加入该组的主机能够接收到数据

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基于 UDP 编写网络通信程序

• 一个服务器包括三部分：收到请求、根据请求计算逻辑(业务逻辑)、返回响应
• 这里我们编写一个简单逻辑的 服务器程序，即无业务逻辑，请求是啥就返回啥

服务器代码

//UDP 版本的服务器
public class UdpEchoServer {
//    网络编程，本质上是要操作网卡
//    因此我们可以通过 操作系统内核所提供的一种叫做 “socket” 的文件来抽象表示和操作网卡
    private DatagramSocket socket = null;

//    服务器一定要关联上一个具体的端口号
//    所以在创建 socket 对象的同时，要让他绑上一个具体的端口号
//    socket = new DatagramSocket() 这是创建一个 socket 对象，如果括号中不主动传入端口号，系统便会自动分配端口号
//    服务器是网络传输中，被动的一方，如果是操作系统随机分配的端口，此时客户都安就知道这个端口是啥了，也就无法通信了

    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
//        这里我们主动传一个端口号
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
//        服务器需要服务多个客户端
        while (true) {
//            只要有客户端过来，就可以为其提供服务
//            1.读取客户端发来的请求是什么
//            这里相当于构造一个空白的 DatagramPacket 对象
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
//            这里的 receive 方法的参数是一个输出性参数，我们创建出来的空对象，在这里被其填充
            socket.receive(requestPacket);
//            此时这个 DatagramPacket 是一个特殊的对象，不方便直接进行处理，可以把这里包含的数据拿出来，构造成一个字符串
            String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
//            2.根据请求计算响应，因为我们仅构造一个简单的服务器例子，所以此处响应和请求相同，也就是不做处理
            String response = process(request);
//            3. 把响应写回到客户端，send 的参数也是 DatagramPacket，需要把这个 Packet 对象构造好
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
//              注意这里的  response.getBytes().length 计算的是字节的个数
//              response.length 计算的是字符的个数，所以不能填入 response.length ，因为一个汉字由多个字节组成
//            这里将响应数据进行发送
            socket.send(responsePacket);
//            4.打印一下日志，这次请求响应的处理中间结果
            System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\n", requestPacket.getAddress().toString(),
                    requestPacket.getPort(),request,response);
        }
    }

//    这个方法 表示 根据请求计算响应(处理业务逻辑)
    private String process(String request) {
        return request;
    }

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

客户端代码

//UDP 版本的客户端
public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp;
    private int serverPort;

//    通常情况下，端口号用来标识和区分一个进程，由于我们现在是同一个主机上编写服务器和客户端，所以不允许一个端口同时被多个进程使用
//    但是一个进程可以绑定多个端口，即进程只需创建多个 socket 对象 就可以关联不同的端口
//    相比服务器我们需要指定端口，因为是为了方便客户端找到服务器程序
//    而客户端 我们无需指定端口号，只需让系统自动分配空闲端口号即可，自己指定可能因为该端口号已经被其他进程所占用，而导致无法使用该端口号
//    一次通信有 两个ip 两个端口号 分别是 客户端ip 服务器ip 客户端端口号 服务器端口号
//    因为客户端和服务器是在同一个主机上，所以 客户端ip 和 服务器ip 都是 127.0.0.1
//    但我们需要将服务器的 ip 和 端口号 告诉客户端，才能顺利的将消息发送给服务器
    public UdpEchoClient (String serverIp, int serverPort) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket();
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
    }

    public void start() throws IOException{
        System.out.println("客户端启动！");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
//            1.从控制台读取要发送的数据
            System.out.println(">");
            String request = scanner.next();
            if(request.equals("exit")) {
                System.out.println("goodbye");
                break;
            }
//            2.构造 UDP 请求并 发送
//            构造 packet 的时候 需要把 serverIp 和 port 都传入过来 但是此处 IP 地址需要填写的是一个 32位的整数形式
//            
//            因为 这里传入的 IP 地址是点分十进制形式字符串所表示的，但计算机内部是以 一个 32 位的整数来表示 IP 地址
//            所以 需要使用 InetAddress.getByName 来将 IP 地址转换为 32 位整数
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);
//            3.读取服务器的 UDP 响应 并解析
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
//            4.把解析好的结果显示出来
            System.out.println(response);
        }
    }

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

交互过程：

运行效果：

• 客户端发送请求，并收到返回的响应

• 服务器处理请求，并返回响应

 TCP

特点：

• 面向连接：在数据传输之前，发送端和接收端需要先建立一个连接，包括三次握手过程，连接的建立确保了双方的通信前提，并且在连接建立期间进行参数协商和初始化
• 可靠性：TCP 使用确认机制和重传机制来确保数据的可靠性，如果接收端在接收每个数据包后会发送确认消息，发送方没有收到确认消息，会重新发送该数据包，保证数据在传输过程中不会丢失或损坏
• 全双工通信：即发送端和接收端可以同时进行数据的发送和接收，不需要等待对方的响应
• 面向字节流：将数据视为一个连续的字节流，并将字节流分割为适当的 TCP报文段，并在传输过程中对它们进行排序和重新组装
• 有序性：每个 TCP报文 都有一个序列号，接收端根据序列号将数据包按照正确的顺序重新排列
• 适用高可靠性要求应用：文件传输、Web浏览、电子邮件等
• 流量控制和拥塞控制：流量控制用来控制发送端发送数据的速率，保证接收端能够及时处理接收到的数据，拥塞控制用于控制网络中的数据流量，避免网络拥塞

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基于 TCP 编写网络通信程序

• 一个服务器包括三部分：收到请求、根据请求计算逻辑(业务逻辑)、返回响应
• 这里我们编写一个简单逻辑的 服务器程序，即无业务逻辑，请求是啥就返回啥

服务器代码

// TCP 版本的服务器
public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket serverSocket = null;

    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("启动服务器！");
//            此处使用 CachedTreadPool 使用 FixedThreadPool 是不合适的 因为线程数不应该是有固定值的
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        while (true) {
//            使用这个 clientSocket 和 具体的客户端进行交流
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
//            此处使用多线程处理
//            注意这里为什么要引入多线程 为了让多个客户端能同时跟服务器建立连接，并处理各自客户端的请求
//            Thread t = new Thread(() ->{
//                try {
//                    processConnection(clientSocket);
//                } catch (IOException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//            });
//            t.start();
//            当很多客户端需要进行请求时，当然相比于频繁的创建线程和销毁线程 我们这里直接创建一个线程池效率会高很多

//            使用线程池
            threadPool.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        processConnection(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }

    private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
//        基于上述 socket 对象和客户端进行通信
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){
            
//            概念：
//            则客户端建立一次连接，服务器可处理多次请求并返回响应，到客户端短时间内不需要这个连接，便直接断开连接 这属于长连接
//            则客户端建立一次连接，服务器也仅处理一次请求并返回响应，便直接断开连接 这属于短连接
            
//            这里我们写的是长连接，从而需要使用循环 来处理多个请求和响应
            while (true) {
//                1.读取请求
                Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
                if (!scanner.hasNext()) {
//                    没有下个数据 说明读完了 （客户端关闭了连接）
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！\n", clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
                    break;
                }
//                此处使用 next 是一致读取到 换行符/空格/其他空白符结束，但是最终返回结果里不包含上述 空白符
                String request = scanner.next();
//                2.根据请求构造响应
                String response = process(request);
//                3.返回响应结果
//                OutputStream 相当于对应着一个文件描述符（socket文件）
//                通过 OutputStream 就可以往这个 文件描述符 中写数据
//                但 OutputStream 没有 写字符串 这样的功能  但
//                所以我们 将其转化为 字符流 PrintWriter 且其对应的文件描述符还是同一个 从而可以进行写入
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
//                此处使用 println 来写入 让结果中带有 一个 \n 换行 方便对接收端来接收解析
//                因为 TCP 是面向字节流的 所以 一次性读多少个字节都是可以的
//                从而这里我们可以进行一个隐式约定 使用 \n 来作为当前代码的请求或响应分割约定 与上面代码的 scanner.next() 相对应
//                从而该行代码这里使用 println 来相当于 TCP 发送数据，
                printWriter.println(response);
//                flush 用来刷新缓冲区 保证当前写入的数据 确实发送出去了
                printWriter.flush();

                System.out.printf("[%s:%d] req:%s; resp:%s\n",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort(),
                        request,response);
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
//            每来一个客户端 就会创建一个 clientSocket ，每创建一个就要消耗一个文件描述符
//            因此当完成该客户端的请求后 就需要释放掉其 clientSocket
            clientSocket.close();
        }
    }

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

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

客户端代码

public class TcpEchoClient {
    private Socket socket = null;

    public TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {
//        Socket 构造方法 能够识别 点分十进制格式的 IP 地址 必 DatagramPacket 更方便
//        new 这个对象的同时 就会进行 TCP 连接操作 如果客户端没有该行代码 服务器就会在 accept 堵塞
        socket = new Socket(serverIp,serverPort);
    }

    public void start() {
        System.out.println("客户端启动！");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){

                while (true) {
    //            1.先从键盘上读取用户输入的内容
                    System.out.println(">");
                    String request = scanner.next();
                    if(request.equals("exit")) {
                        System.out.println("goodbye");
                        break;
                    }
    //            2.把读到的内容构造成请求 发送给服务器
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    printWriter.println(request);
//                    此处的 flush 是确保数据确实发送出去了
                    printWriter.flush();
    //            3.读取服务器的响应
                    Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);
                    String response = respScanner.next();
    //            4.把响应内容显示到界面上
                    System.out.println(response);
                }
            }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

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

交互过程：

运行效果：

• 客户端发送请求，并收到返回的响应

• 服务器处理请求，并返回响应

 IDEA 打开 支持多客户端模式 

操作步骤：

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• 完成上述步骤，我们便打开了 IDEA 多客户端模式，此时我们仅需再点击一次客户端启动按钮，便会有两个客户端共存了！