【网络】UDP和TCP之间的差别和回显服务器
文章目录
- UDP 和 TCP 之间的差别
- 有连接/无连接
- 可靠传输/不可靠传输
- 面向字节流/面向数据报
- 全双工/半双工
- UDP/TCP API 的使用
- UDP API
- DatagramSocket
- 构造方法
- 方法
- DatagramPacket
- 构造方法
- 方法
- 回显服务器（Echo Server）
- 1. 接收请求
- 2. 根据请求计算响应
- 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
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
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
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
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
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
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
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
",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();
}
}
