文章目录
- [UDP 和 TCP 之间的差别](#UDP 和 TCP 之间的差别)
- [UDP/TCP API 的使用](#UDP/TCP API 的使用)
-
- [UDP API](#UDP API)
-
- DatagramSocket
- DatagramPacket
- [回显服务器(Echo Server)](#回显服务器(Echo Server))
-
- [1. 接收请求](#1. 接收请求)
- [2. 根据请求计算响应](#2. 根据请求计算响应)
- [3. 将响应写回客户端](#3. 将响应写回客户端)
- 完整代码
学习多线程,打破了以往对于程序的认知
学习网络编程,将会再次打破对于程序的认知
套接字:Socket
单词
操作系统给应用程序(传输层给应用层)提供的 API
,起了个名字,就叫 Socket API
Socket
本身是"插槽"的意思
- 电脑的主板,插着各种其他的硬件
接下来学习的就是操作系统提供的 Socket API
(Java 版本的)
UDP 和 TCP 之间的差别
socket API
提供了两组不同的 API
,UDP
有一套,TCP
也有一套
TCP 有连接,可靠传输,面向字节流,全双工
UDP 无连接,不可靠传输,面向数据报,全双工
有连接/无连接
此处谈到的连接,是"抽象"的连接
- 通信双方,如果保存了通信对端的信息 ,就相当与是"有连接 ";如果不保存对端的信息 ,就是"无连接"
- 连接:通信双方 A 保存了 B 的信息(IP 和端口号),B 也保存了 A 的信息
- 如果通信双方,各自把对方的信息删除掉,此时就相当与"断开了连接"
举个栗子:
- 将来你和你的另一半去领证,结婚证上就会写上两个人的名字,贴上照片。一式两份,你保存一份,你的另一半保存一份
- 你的本上保留了 ta 的信息,你翻开本就能看到另一个人是 ta
- ta 的本上保留了你的信息,ta 翻开本就能看到另一个人是你
- 此时你们俩就相当于建立了"抽象的/逻辑上的连接"
可靠传输/不可靠传输
此处谈到的"可靠 ",不是指 100%
能到达对方,而是 "尽可能"到达对方
- 因为网络环境非常复杂,存在很多的不确定因素(你再厉害的技术,也抵不过挖掘机一铲子)
相对来说,不可靠 就是完全不考虑数据是否能到达对方
TCP
内置了一些机制,能够保证可靠传输
- 感知到对方是不是收到了
- 重传机制,在对方没收到的时候进行重试
UDP
则没有这种可靠性机制,完全不管发出去的数据是否顺利到达对方
直观感觉,可靠比不可靠传输更好?
- 但可靠传输要付出代价,TCP 协议设计就要比 UDP 复杂很多,也会损失一些传输数据的效率
面向字节流/面向数据报
TCP
是面向字节流的,TCP
的传输过程就和文件流/水流是一样的特点
- 从文件读写 100 个字节
- 一次读写 100 字节
- 两次,一次读写 50 字节
- 十次,一次读写 10 字节
- ...
- TCP 读写,和文件读写是一摸一样的
UDP
是面向数据报的,传输数据的基本单位不是字节,而是"UDP 数据报"
- 一次发送/接收,必须是完整的 UDP 数据报
这些差别,会直接影响到代码的写法
全双工/半双工
全双工:一个通信链路,可以发送数据,也可以接收数据(双向通信)
半双工:一个通信链路,只能发送/只能接收(单向通信)
有一根网线,怎么进行双向通信呢?
- 全双工这个事情,物理层面上,并非是只有一根线在连接
- 一根网线里,有 8 根铜线,分成 4 4 一组(四根就可以正常工作,另外四根是防止意外情况发生的铜线备份)
- 主要的四根线中,两根线用来负责发送,两根用来接收
UDP/TCP API 的使用
UDP API
API
就是一组函数/一组类
DatagramSocket
网卡的遥控器
代表一个 Socket
对象
- 属于操作系统的概念,
Socket
就可以认为是操作系统中,广义的文件里面的一种文件类型- 这样的文件 ,就是网卡/控制台/键盘/显卡...这种硬件设备抽象的表示形式
- 所以
Socket
也具有一些文件的特性,操作文件需要先打开、再读写、再关闭。Socket
也是这样 - 包括创建一个
Socket
对象,也会占用一个文件描述符表里面的资源
- 所以
- 在这里
Socket
对象,就是网卡的代言人- 因为我们通过代码直接操作网卡是不好操作的
- 网卡有很多种型号,之间提供的
API
都会有差别 - 于是操作系统就把网卡概念封装成
Socket
,应用程序员就不需要关注硬件的差异和细节,直接统一操作Socket
对象就能间接的操作网卡了 Socket
就像万能遥控器一样
- 这样的文件 ,就是网卡/控制台/键盘/显卡...这种硬件设备抽象的表示形式
构造方法
方法签名 | 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(⼀般⽤于客⼾端) |
|
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 (需要指定端口号,⼀般⽤于服务端) |
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 (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 |
DatagramPacket
UDP 传输数据的基本单位
代表一个 UDP
数据报
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 ⻓度(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 到指定⻓ 度(第⼆个参数 length )。address 指定⽬的主机的 IP 和端⼝号 |
|
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 |
回显服务器(Echo Server)
最简单的客户端服务器程序,不涉及到业务流程,只是对与 API 的用法做演示
客户端发送什么样的请求,服务器就返回什么样的响应,没有任何业务逻辑,没有进行任何计算或者处理
- 网络编程必须要使用网卡,就需要用到
Socket
对象- 创建一个
DatagramSocket
对象,之后在基于这个对象进行操作
- 创建一个
java
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;
public class UdpEchoServer {
private DatagramSocket socket = null;
public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
//SocketException 异常是 IOException 的子类
socket = new DatagramSocket(port);
}
}
- 对于服务器这一端来说,需要在
socket
对象创建的时候,就指定一个端口号port
,作为构造方法的参数 - 后续服务器开始运行之后,操作系统就会把端口号和该进程关联起来
- 端口号的作用就是来区分进程的,一台主机上可能有很多个进程很多个程序,都要去操作网络。当我们收到数据的时候,哪个进程来处理,就需要通过端口号去区分
- 所以就需要在程序一启动的时候,就把这个程序关联哪个端口指明清楚
- 在调用这个构造方法的过程中,
JVM
就会调用系统的Socket API
,完成"端口号-进程 "之间的关联动作- 这样的操作也叫"绑定端口号 "(系统原生
API
名字就叫bind
) - 绑定好了端口号之后,就明确了端口号和进程之间的关联关系
- 这样的操作也叫"绑定端口号 "(系统原生
- 对于一个系统来说,同一时刻,一个端口号只能被一个进程绑定;但是一个进程可以绑定多个端口号(通过创建多个
Socket
对象来完成)- 因为端口号是用来区分进程,收到数据之后,明确说这个数据要给谁,如果一个端口号对应到多个进程,那么就难以起到区分的效果
- 如果有多个进程,尝试绑定一个端口号,只有一个能绑定成功,后来的都会绑定失败
1. 接收请求
- 通过
start
来启动服务器的核心流程 - 对于服务器来说,主要的工作,就是不停地处理客户端发来的请求,因为客户端什么时候会发来请求是未知的,所以要时刻待命
java
public void start() {
System.out.println("服务器启动!");
//通过一个死循环来不停地处理请求
while(true) {
//1. 读取客户端的请求并解析
socket.receive();
}
}
- 对
7*24
小时工作的服务器来说,服务器里面有死循环是很正常的,不是说死循环就是代码bug
- 读取客户端的请求并解析
receive
是从网卡上读取数据,但是调用receive
的时候,网卡上不一定就有数据- 当调用
start
方法之后程序启动,就立刻调用了receive
,一调用receive
,就会立刻从网卡中读取数据,但这个时候客户端可能还没来,网卡中还没有数据 - 如果网卡上收到数据了,
receive
立刻返回,获取收到的数据;如果没有收到数据,receive
就会阻塞等待,直到真正收到数据为止 - 此处
receive
也是通过"输出型参数"获取到网卡上收到的数据的
receive
的参数是DatagramPacket
- 我们就需要构造一个空的
DatagramPacket
对象,将其作为参数传递给receive
- 我们就需要构造一个空的
java
public void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动!");
//通过一个死循环来不停地处理请求
while(true) {
//1. 读取客户端的请求并解析
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
socket.receive(requestPacket);
}
}
-
DatagramPacket
自身需要存储数据,但是数据的空间具体多大,需要外部来定义,自身不负责 -
需要指定
requestPacket
所需要存储数据/持有数据的基数- 指定一个字节数组,和其长度
- 大小没什么讲究,只要能确保能够存储下你通讯的一个数据包即可
-
收到的请求数据是通过二进制
byte[]
的形式来体现的,而我们后续要将其进行处理,最好将它转成字符串才好处理
java
public void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动!");
//通过一个死循环来不停地处理请求
while(true) {
//1. 读取客户端的请求并解析
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
socket.receive(requestPacket);
//将收到的二进制 byte[] 数据转换成字符串
String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
}
}
- 构造
String
可以基于字节数组 构造,也可以基于字符数组 进行构造- 此处
DatagramPacket
里面持有的就是字节数组,我们就取出里面包含的字节数 - 此处就指定了:是哪个字节数组、从哪开始构造、构造多长
- 此处
2. 根据请求计算响应
- 请求(request):客户端主动给服务器发起的数据
- 响应(response):服务器给客户端返回的数据
此处是一个回显服务器,响应就是请求
java
public void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动!");
//通过一个死循环来不停地处理请求
while(true) {
//1. 读取客户端的请求并解析
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
socket.receive(requestPacket);
//将收到的二进制 byte[] 数据转换成字符串
String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
//2. 根据请求计算响应
String response = process(request);
}
}
//请求是什么,响应就是什么
private String process(String request) {
return request;
}
3. 将响应写回客户端
此时需要主动的将数据通过网卡发送回客户端
- 与
receive
相似,send
的参数是DatagramPacket
- 我们就需要构造一个
DatagramPacket
对象,将其作为参数传递给send
- 但此时不能使用空的数组来构造
DatagramPacket
对象 - 需要使用刚刚的
response
数据进行构造
- 我们就需要构造一个
java
public void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动!");
//通过一个死循环来不停地处理请求
while(true) {
//1. 读取客户端的请求并解析
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
socket.receive(requestPacket);
//将收到的二进制 byte[] 数据转换成字符串
String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
//2. 根据请求计算响应
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);
}
}
//请求是什么,响应就是什么
private String process(String request) {
return request;
}
String
可以基于字节数组来构造,也可以随时取出里面的字节数组response.getBytes().length
不能写成response.length
- 前者是在获取字节数组,得到字节数组的长度 ,单位是"字节"
- 后者是在获取字符串中字符的个数 ,单位是"字符"
UDP
有一个特点------无连接- 所谓的连接,就是通信双方保存对方的信息(IP+端口号)
- 就是说
DatagramSocket
这个对象中,不持有对方(客户端)和 IP 端口的,进行send
的时候,就需要在send
的数据包里,把要"发给谁"这样的信息,写进去,才能够正确的把数据进行返回 - 所以要将信息也作为参数,传入
responsePacket
中- 客户端刚才给服务器发了一个请求
requestPacket
,这个包记录了这个数据是从哪来,从哪来就让它回哪去,所以直接获取这个requestPacket
的信息就可以了 - 客户端的 IP 和端口就都包含在
requestPacket.getSocketAddress()
中 - 后续往外发送数据包的时候,就知道该发去哪了 >- 相比之下,
TCP
代码中,因为TCP
是有连接的,则无需关心对端的 IP 和端口,只管发送数据即可
- 客户端刚才给服务器发了一个请求
- 如果字符串里都是英文字母/阿拉伯数字/英文标点符号的话,都是
ASCII
编码的,一个字符也就是一个字节这么长- 如果字符串里有中文,是
UTF8
编码的,一个中文就是 3 个字节UTF8
也是能兼容ASCII
,当使用UTF8
表示英文的时候,和ASCII
表示英文是完全相同的
完整代码
java
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;
public class UdpEchoServer {
private DatagramSocket socket = null;
public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
socket = new DatagramSocket(port);
}
public void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动!");
//通过一个死循环来不停地处理请求
while(true) {
//1. 读取客户端的请求并解析
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
socket.receive(requestPacket);
//将收到的二进制 byte[] 数据转换成字符串
String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
//2. 根据请求计算响应
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);
//4. 打印日志
System.out.printf("[%s:%d req=%s, res=%s\n",requestPacket.getAddress(),requestPacket.getPort(),request,response);
}
}
//请求是什么,响应就是什么
private String process(String request) {
return request;
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);
server.start();
}
}