网络编程套接字之UDP

╰半夏微凉° 2023-09-27 14:07 140阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*  一、网络编程
 *  二、UDP数据报套接字编程
 *   *  DatagramSocket
     *  DatagramPacket
     *  实现客户端服务器程序
     *   *  EchoServer
         *  客户端

## 一、网络编程 ##

我们网络编程的核心: Socket API，操作系统为我们应用程序提供的API，我们的Socket是和传输层密切相关的。

我们传输层为我们提供了两个最核心的协议UDP/TCP，所以我们的Socket API也为我们提供了TCP/UDP。  
简单认识一下TCP/UDP：  
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

**TCP：**  
特点：

1.  使用TCP协议，必须双方先建立连接，它是一种面向连接的可靠通信协议
2.  传输前，采用”三次握手"方式建立连接，所以是可靠的
3.  在连接中可进行大数据量的传输
4.  连接、发送数据都需要确认，且传输完毕后，还需释放已建立的连接，通信效率低

应用场景：对信息安全要求较高的场景，例如：文件下载、金融等数据通信  
**TCP：**  
特点：

1.  UDP是一种无连接，不可靠传输协议
2.  将源IP、目的IP和端口封装成数据包，不需要建立连接
3.  每个数据包大小限制在64kb内
4.  发送不管对方是否准备好，接收方收到也不确认，所以是不可靠的
5.  可以广播发送，发送数据结束时无需释放资源，开销小，速度快  
    应用场景： 语音通话，视频会话等

## 二、UDP数据报套接字编程 ##

### DatagramSocket ###

DatagramSocket 这个类表示一个Socket对象，我们操作系统中，把socket对象是当作一个文件来处理的。  
一个Socket对象就可以与另一台主机进行通信了，如果要和不同的主机通信，就需要创建多个Socket对象

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>DatagramSocket()</td> 
   <td>创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到任意一个随机端口号(一般用于客户端)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DatagramSocket(int port)</td> 
   <td>创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机指定端口(一般用于服务器)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>void receive(DatagramPacket p)</td> 
   <td>从此套接字接收数据，如果没有接收到数据报，进行阻塞等待)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void send(DatagramPacket p)</td> 
   <td>从此套接字发送数据包(不会阻塞等待，直接发送)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void close()</td> 
   <td>关闭此数据报套接字</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

我们的receive方法参数传入的是一个空的对象，receive方法内部会对这个对象进行填充，从而构造出结果数据，我们称这样的参数为输出型参数

### DatagramPacket ###

DatagramPacket是UDP socket进行发送和接收的数据报。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>DatagramPacket(byte[] buf,int length)</td> 
   <td>构造一个DatagramPacket用来接收数据报,接收的数据保存在字节数组里，接受指定长度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DatagramPacket(byte[] buf,int offset,int length,SocketAddress address)</td> 
   <td>构造一个DatagramPacket用来发送数据报，发送的数据为字节数据，从0到指定长度，address用来指定目的主机的IP和端口号</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

DatagramPacket的一些方法：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>InetAddress getAddress()</td> 
   <td>从接受的数据报中，获取发送端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，获取发送端主机的端口号，或从发送的数据报中，获取接收端的端口号</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>byte[] getData()</td> 
   <td>获取数据报的数据</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 实现客户端服务器程序 ###

我们在这里编写一个最简单的客户端服务器程序：回显服务器(echo server).  
我们的服务器做的工作：收到请求，根据请求计算响应，返回响应，最重要的环节就是计算响应这一部分，我们的echo server省略了这一部分，接收到什么就返回什么。

#### EchoServer ####

我们网络编程，本质上是要操作网卡，但是网卡不方便我们直接操作，于是我们操作系统内核中，使用“socket"这样的文件来抽象表示网卡，所以我们要想进行网络通信，首先得有一个socket对象

public class EchoServer {
        
        private DatagramSocket socket = null;
    }

我们的服务器，在真正创建对象的时候，需要绑定一个具体的端口号，为啥是具体的呢？因为我们的服务器在进行网络通信中，是属于比较被动的一方，如果我们使用的是系统随机进行分配的端口号，那么我们的客户端就不知道服务器端口号是多少，也就无法进行通信了。

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

我们的UDP传输的基本单位是DatagramPacket.  
![在这里插入图片描述][a2a93d9ad8504432b5e34b61c3afe36e.png]  
此时我们服务器接收到的DatagramPacket是一个特殊的对象，并不方便我们直接进行处理，我们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(requestPcket.getData(),0, requestPcket.getLength());

![在这里插入图片描述][3ed1bc979d494c359bb0388965825952.png]  
我们在创建DatagramPacket给的最大长度是4096，但我们实际可能只用了一小部分，因此我们在构造字符串时，通过getLength()获取数据报实际的长度。  
我们获取到了客户端的请求之后然后我们对请求进行处理，我们这里实现的是接收什么，回应什么。  
![在这里插入图片描述][92898dcd14b94797a0eff7171e6749a5.png]

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

然后我们将这个响应发送给客户端，首先我们需要构造出DatagramPacket对象。

DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length);

因为我们的DatagramPacket不认字符只认字节，所以我们将response转换为字节数组。  
![在这里插入图片描述][9666bbf0fa42497d8d0022dcebbd3ccd.png]  
答案是不可以，因为response.length()获取的是字符的个数，response.getBytes().length获取的是字节的个数。  
我们这里的DatagramPacket的构造还是有一点点问题，我们这里的数据是构建好了，那给谁发呢？

DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                        requestPcket.getSocketAddress());

我们在参数中，应该传入客户端的地址信息。  
![在这里插入图片描述][36cca4582cec43f8971a55c23f26ca70.png]  
然后进行发送

socket.send(responsePacket);

![在这里插入图片描述][380d7eef8c904899ba50a41768253f2d.png]  
数据到达网卡，经过内核层层分用，最终到达了UDP传输层协议，调用receive相当于是执行内核中udp相关的代码，将UDP数据报的载荷取出来，拷贝到用户提供的byte\[\] 数组中。

public class EchoServer {
        
        private DatagramSocket socket = null;
        public EchoServer(int port) throws SocketException {
        
            socket = new DatagramSocket(port);
        }
    
        public void start() throws IOException {
        
            System.out.println("服务器启动!");
            while (true) {
        
                DatagramPacket requestPcket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
                socket.receive(requestPcket);
                String request = new String(requestPcket.getData(),0, requestPcket.getLength());
                String response = process(request);
                DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                        requestPcket.getSocketAddress());
                socket.send(responsePacket);
                //打印本次请求响应的结果
                System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\n",requestPcket.getAddress().toString(),
                        requestPcket.getPort(),request,response);
            }
        }
        public String process(String request) {
        
            return request;
        }
    }

#### 客户端 ####

我们在构造客户端Socket对象时，不需要显式的去绑定一个端口，而是由系统分配一个空闲端口。

服务器的端口：需要固定指定，为了方便客户端找到服务器程序。  
客户端的端口：由系统自动分配的，如果我们手动指定，可能会与客户端其他程序的端口冲突  
为什么服务器不怕冲突？  
因为服务器上面的程序可控，而客户端是运行在我们用户电脑上，环境复杂，更不可控。

首先我们需要创建一个Socket对象，并且获取服务器的ip和端口号

private DatagramSocket socket = null;
        private String serverIp = null;
        private int serverPort = 0;
        
        public EchoClient(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        
            socket = new DatagramSocket();
            this.serverIp = serverIp;
            this.serverPort = serverPort;
        }

我们一次网络通信涉及到五元组:  
源IP，源端口，目的IP，目的端口，协议类型。

然后从控制台接收我们需要发送端数据。

System.out.print("> ");
                String request = scan.next();
                if(request.equals("exit")) {
        
                    System.out.println("客户端退出");
                    break;
                }

我们将request字符串构造成DatagramPacket进行发送。

DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                        InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);

我们在构造DatagramPacket的时候，需要将ip和端口号都传入，此处需要传入的IP是32位的整数形式，但我们这里的ip是字符串，所以需要使用InetAddress.getByName进行转换，然后进行发送。

socket.send(requestPacket);

我们将请求发送给服务器之后，我们来接收一下服务器的响应。

DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
                socket.receive(responsePacket);
                String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
                System.out.println(response);

public class EchoClient {
        
        private DatagramSocket socket = null;
        private String serverIp = null;
        private int serverPort = 0;
    
        public EchoClient(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) {
        
                System.out.print("> ");
                String request = scan.next();
                if(request.equals("exit")) {
        
                    System.out.println("客户端退出");
                    break;
                }
                DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                        InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
                socket.send(requestPacket);
                DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
                socket.receive(responsePacket);
                String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
                System.out.println(response);
            }
        }
    }

![在这里插入图片描述][b247711a55a14660a4af4127bf8a36d9.png]  
![在这里插入图片描述][618be557284546de8e6a07e995fcd703.png]  
我们分别启动客户端和服务器  
![在这里插入图片描述][dc50fe001b8848aea4a90f0b45727b0a.png]  
![在这里插入图片描述][1471641e5b74447f9d5aa8410de4fcdd.png]  
我们此处显示的客户端IP是环回IP，端口号是系统随机分配的。  
我们客户端服务器程序，一个服务器是给许多客户端提供服务的，但是我们IDEA默认只能启动一个客户端，我们需要手动设置一下。  
![在这里插入图片描述][9f63753541f24afbb6689de89ff77c5e.png]  
![在这里插入图片描述][78cf1c6ea4ce4581ac278f34710c28eb.png]  
![在这里插入图片描述][954bef5c5dc246cc86bdfb5c82e17ed5.png]  
![在这里插入图片描述][9d36fd5d26444b9fb2bf45ed32972615.png]  
现在我们就可以创建多客户端与服务器进行通信了。  
**端口冲突**  
一个端口只能被一个进程使用，如果有多个使用就不行。  
![在这里插入图片描述][ad7989bc425c4be4a2403aaaf0040091.png]

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