网络编程-UDP数据报套接字

阳光穿透心脏的1/2处 2024-03-27 09:04 59阅读 0赞

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## 目录 ##

1. 网络编程基础

1.1 为什么需要网络编程?

1.2 什么是网络编程?

1.3 网络编程中的基本概念

2. Socket套接字

2.1 Java 数据报套接字模型

2.2 Java 流套接字通信模型

2.3 Socket 编程注意事项

3.UDP 数据报套接字编程

3.1 DatagramSocket API

3.2 DatagramPacket API

3.3 InetSocketAddress API

示例一: 回显服务器(echo server)

示例二: 查词典服务器

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## 1. 网络编程基础 ##

### 1.1 为什么需要网络编程? ###

用户在浏览器中 , 打开在线视频网站 , 如腾讯视频 , 实际是通过网络获取网络上的一个视频资源.

![b93e963e0ea04b3b9dfa4bea58a01d85.png][]

与打开本地视频文件类似 , 只不过视频资源来源是网络. 相比本地视频来说 , 网络提供了更为丰富的网络资源.

![61df360adcba4575be43494056010fa6.png][]

> 所谓的**网络资源**其实就是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.

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### 1.2 什么是网络编程? ###

网络编程指的是 , 网络上的主机通过不同的**进程(端口)** , 以编程的方式实现**网络通信**(网络数据传输)

![9fbd3d3a87a647d49a9a3fea0a376eec.png][]

其实 , 网络传输只要满足不同进程就行 , 因此即使是同一主机 , 只要是不同**进程**就可以进行网络传输.

对于开发人员来说 , 在条件有限的情况下 , 都是在同一主机上进行网络编程.

> 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

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### 1.3 网络编程中的基本概念 ###

**发送端和接收端**

再一次网络数据传输时:

**发送端**: 数据的**发送方进程** , 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** , 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 , 简称收发端.

> Tips: 发送端和接收端是相对的 , 只是一次网络数据传输产生数据流向后的概念.

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**请求和相应**

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

例如在快餐店点一份炸鸡:

先要发起请求: 点一份炸鸡 , 之后快餐店提供对应的响应: 提供一份炸鸡.

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**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 , 称为服务器 , 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.

![d523cd73f15d44098ca081d859718dd5.png][]

*  客户端保存资源在服务器.

![5f4df44d7c1e46b197cc2fa168eb76ef.png][]

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**常见的客户端服务端模型**

> 1. 客户端先发送请求到服务器.
> 
> 2. 服务端根据请求数据 , 执行响应的业务处理.
> 
> 3. 服务端返回响应 ,发送业务的处理结果.
> 
> 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).

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## 2. 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.

例如当你拿起电话, 拨号并与朋友建立连接, 之后你们就可以交流了, 这个例子中电话就相当于 Socket. 就像电话是你与朋友进行通话的端点一样, Socket 是网络中两个进程进行通信的端点, 当两个进程需要进行网络通信时, 它们会创建一个 Socket, 并将其连接到网络上某个特定地地址和端口号. 一但 Socket 连接建立起来, 两个进程就可以通过 Socket 在网络上进行数据的发送和接收.

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**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 , 即 Transmission Control Protocol (传输控制协议) , 传输层协议.

> **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.(全双工)
>  *  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 IO 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.

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**数据报套接字**:

使用传输层 UDP 协议 , 即User Dategram Protocol (用户数据报协议) , 传输层协议.

> **UDP 的特点:**
> 
>  *  无连接
>  *  不可靠传输
>  *  面向数据报
>  *  有接收缓冲区 , 也有发送缓冲区(全双工)
>  *  大小不限

对于数据报来说 , 传输数据是一块一块的 , 发送一块100个字节的数据 , 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 , 每次接收一个字节.

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**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.

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### 2.1 Java 数据报套接字模型 ###

对应 UDP 数据报来说 , 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 , 一次接收全部数据报.

java 总使用 UDP 协议通信 , 主要基于 DatagramSocket 类来创建数据报套接字 , 并使用 DatagramPacket 来发送或接收 UDP 数据报. 对应发送及接收数据报的流程如下:

![cd1fec38cd8e476892ee3a339495e1a5.png][]

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### 2.2 Socket 编程注意事项 ###

>  *  1. **客户端和服务端**: 开发时 , 经常是基于一个主机开启两个进程作为客户端和服务端 , 但 真实的场景一般都是不同主机.
>  *  2. 注意**目的IP**和**目的端口号** , 标识了一次数据传输时要发送数据的终点主机和进程.
>  *  3. Socket 编程我们是使用流套接字和数据报套接字 , 基于传输层的TCP或UDP协议 , 但  **应用层协议** , 也需要考虑 , 后续会介绍如何设计应用层协议.
>  *  4. 如果一个进程 A 绑定一个端口 , 再启动一个进程 B 绑定该端口 , 就会报错 , 这种情况 也叫做**端口被占用**.

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## 3.UDP 数据报套接字编程 ##

### 3.1 DatagramSocket API ###

DatagramSocket 是 UDP 套接字 , 用于创建数据报套接字.

DatagramSocket 构造方法:

<table style="width:650px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>方法签名</td> 
   <td>方法说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DatagramSocket()</td> 
   <td>创建一个 UDP 数据报的套接字 Socket,绑定本机任意一个随机端口(常用于客户端)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DatagramSocket(int prot)</td> 
   <td>创建一个 UDP 数据报的套接字 Socket,绑定到本机指定的端口(一般用于服务端)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

DatagramSocket 方法:

<table style="width:650px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>方法签名</td> 
   <td>方法说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void receice(DatagramPacket p)</td> 
   <td>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)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void send(DatagramPacket p)</td> 
   <td>从此套接字发送数据报(直接发送 , 不会阻塞等待)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void close()</td> 
   <td>关闭次数据报套接字</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

--------------------

### 3.2 DatagramPacket API ###

DatagramPacket 是 Socket 用来发送和接收的 UDP 数据报.

DatagramPacket 构造方法:

<table style="width:650px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>方法签名</td> 
   <td>方法说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DatagramPacket(byte[] buf,int length)</td> 
   <td>构造一个DatagramPack 用来接收数据报 , 接收的数据报存在字节数组(第一个参数buf)中 , 指定长度(第二个参数 length)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DatagramPacket(byte[] buf,int offset,int length,SocketAddress address)</td> 
   <td>构造一个DatagramPacket 用来发送数据 , 发送的数据为字节数组 , 从0到指定长度 , address 指定的是主机的 IP 和端口号</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

DatagramPacket 方法:

<table style="width:650px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>方法签名</td> 
   <td>方法说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>InetAddress getAddress()</td> 
   <td>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.</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int getPort()</td> 
   <td>从接收的数据报中 , 获取发送端主机端口号;或从发送的数据报中 , 获取接收端主机端口号.</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>byte[] getData()</td> 
   <td>获取数据报中的数据</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

构造UDP发送的数据报时 , 需要传入 SocketAddress , 该对象可使用 InetSocketAddress 来创建.

--------------------

### 3.3 InetSocketAddress API ###

InetSocketAddress (SocketAddress 的子类) 构造方法:

<table style="width:650px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>方法签名</td> 
   <td>方法说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>InetSocketAddress(InetAddress addr , int port)</td> 
   <td>创建一个Socket地址 , 包含IP地址和端口号</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### **示例一: 回显服务器(echo server)** ###

一般服务器执行操作: 收到请求 , 根据请求计算响应 , 返回响应

echo server 省略了其中的 "根据请求计算响应" , 请求是啥就返回啥.(该服务器没有实际的业务 , 只是展示了 socket api 基本用法)

**服务器:**

public class UdpEchoServer {
        //网络编程本质上是操作网卡
        //但网卡不方便直接操作, 在操作系统内核中, 使用一种特殊的叫做"socket"这样的文件来抽象表示网卡
        //因此进行网络通信势必有一个 socket 对象
        private DatagramSocket socket = null;
        //对于服务器来说,创建socket对象的同时,要给它绑定一个端口号
        //服务器是网络传输中, 被动的一方, 如果是操作系统的随机分配的端口, 此时客户端就不知道这个端口是啥了,也就无法通信了
        public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
            socket = new DatagramSocket(port);
        }
        public void start() throws IOException {
            System.out.println("启动服务器!");
            //服务器为多个客户端服务
            while(true){
                //只要有客户端,就可以提供服务
                //1.读取客户端发来的请求
                //receive 方法的参数是一个输出形参数,需要先构造好空白的DatagramPacket对象,交给receive进行填充
                DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
                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,可以把这里包含的时刻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,此处是回显服务器,请求与响应相同
                String response = process(request);
                //3.把响应数据写回到客户端,send的参数也是 DatagramPacket,需要把这个对象构造好
                //此处的响应对象不能是空的字节数组构造的而是要响应数组构造
                DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                        requestPacket.getSocketAddress());
                socket.send(responsePacket);
                //4.打印一下当前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
        public String process(String request){
            return request;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws SocketException {
            //端口号码在 1024-65535 之间随机选择.
            UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);
            server.start();
        }
    }

**客户端:**

public class UdpEchoClient {
        private DatagramSocket socket = null;
        private String serverIp = null;
        private int serverPort = 0;
        //一次通信需要有两个 ip 和两个端口
        //客户端的是 ip 127.0.0.1(环回 ip) 已知
        //客户端的端口号是系统随机分配的
        //服务器 ip 和端口号也要告诉客户端 , 才能顺利把消息发送给服务器.
        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 scan = new Scanner(System.in);
            while(true){
                //1. 从控制台读取要发送的数据
                System.out.println(">");
                String request = scan.next();
                if(request.equals("exit")){
                    System.out.println("good bye");
                    break;
                }
                //2. 构成 Udp 请求并发送
                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 respondPacket = new DatagramPacket(new byte[4096] , 4096);
                socket.receive(respondPacket);
                String respond = new String(respondPacket.getData() , 0 , respondPacket.getLength());
                //4. 把解析好的结果显示出来
                System.out.println(respond);
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1",9090);
            client.start();
        }
    }

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### **示例二: 查词典服务器**  ###

//对于UdpDictSever 主要代码与回显服务器一致
    //主要是 "根据请求计算响应" 这个步骤不一样
    public class UdpDictServer extends UdpEchoServer {
        private Map<String, String> dict = new HashMap<>();
    
        public UdpDictServer(int port) throws SocketException {
            super(port);
            // 给字典设置内容
            dict.put("cat", "小猫");
            dict.put("dog", "小狗");
            dict.put("pig", "小猪");
            dict.put("mouse", "老鼠");
            // 这里可以无限的设置
    
        }
    
        @Override
        public String process(String request) {
            //查词典和过程
            return dict.getOrDefault(request, "当前单词没有查到结果");
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            UdpDictServer server = new UdpDictServer(9090);
            server.start();
        }
    }

![009a1ee414c04361b290d1e2c453e371.png][]

![6c17ca99e54245d8887b8a5894b90ca1.png][]

此时如果再启用回显服务 , 就会造成端口冲突(一个端口只能绑定一个进程).

![8d5eaca03235483097a33106a742dad2.png][]

[44043701d6c542fe97b2125accd7642f.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/27/3d981b2f23f64a59bacc3e08d93369b1.png
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