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原作者:可能是一只知更鸟
原文标题: Java Socket通信之UDP协议
原文链接: https://blog.csdn.net/fxt579810/article/details/123567128
Java Socket通信之UDP协议
一、什么是网络编程
网络编程:指网络上的主机,通过不同的进程,以编程的方式实现网络通信(数据通信本质是网络数据传输),其目的就是为了获取网络资源。
如何来理解呢?我们只需要记住是不同进程就可以。即便是同一台主机,只要是不同进程之间进行传输数据就属于网络编程。但是需要注意的是,一个进程获取资源,另外一个进程提供资源。
发送端和接收端(发送端和接收端只是相对的,只是一次网络数据传输产生数据流之后的概念)
发送端:源主机
接收端:目的主机
收发端:既可以进行发送也可以接收数据
请求和响应
一般来讲,获取一个网络资源,涉及到两次网络数据传输:①请求数据发送 ②响应数据发送
比如,主机A给主机B发送消息之前,会请求主机B与它建立连接,之后主机B返回给它响应(同意建立连接)。
客户端和服务端
服务端:提供服务的一方
客户端:获取服务资源,并且可以保存资源在服务端。
举个栗子:在银行办业务
银行提供存款服务:用户(客户端)保存资源(现金)在银行(服务端)
银行提供取款服务:用户(客户端)获取服务端资源(银行替用户保管的现金)
常见的客户端服务端模型
核心流程:
①Client发送请求到Server
②Server根据请求,执行响应的业务处理
③Server返回响应,发送业务处理结果到Client
④Client根据响应数据,展示处理结果(展示获取到的资源/保存资源)
二、Socket套接字
Socket套接字:用于网络通信的技术,一般我们使用Socket进行网络程序开发,即网络编程。
其主要针对传输层协议划分为三类:流套接字、数据报套接字、原始套接字。
流套接字
使用传输层TCP协议;
TCP:即Transmission Control Protocol(传输控制协议),传输层协议。
以下为TCP的特点:
- 有连接(eg. 打电话要先拨号建立连接)
- 可靠传输(发送方能知道对方是否收到)
- 面向字节流(数据传输是基于IO流,在IO流没有关闭的情况下是无边界的数据,可以进行多次发送,也可以分开多次接收),以字节为基本单位,文件读写也是面向字节流的。
- 有接收缓冲区,也有发送缓冲区
- 大小不受限制
- 全双工(A、B同时发送,即一个socket既能读也能写)
数据报套接字
使用传输层UDP协议;
UDP:即User Datagram Protocol(用户数据报协议),传输层协议。
以下为UDP的特点:
- 无连接 (eg. 发微信,发送数据之前不需要建立连接)
- 不可靠传输(UDP尽最大努力交付,即不保证可靠交付)
- 面向数据报(对于数据报来说,传输数据是一块一块的,发送一块数据假如100个字节,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1个字节。)
- 有接收缓冲区,无发送缓冲区
- 大小受限:一次最多传输64k
- 全双工
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。(这不是我们的重点)
面试题:TCP协议和UDP协议的区别
参考:TCP和UDP的区别
①报头不同 ②协议不同 ③特点不同
三、Java数据报套接字通讯模型
1. Socket UDP模型
操作系统把网络编程的一些相关操作(访问网络核心的硬件设备/网卡驱动等)封装起来了,提供了一组API供开发者使用。
对于UDP协议来讲,具有无连接、面向数据报的特征,即每次都是没有建立连接,一次发送全部数据报一次接受全部数据报。java中使用UDP协议通讯,主要基于DatagramSocket类来创建数据报套接字,并使用DatagramPacket描述一个发送或接收数据报。(DatagramSocket类描述一个socket对象,本质是一个文件描述符,表示网卡设备的文件,通过读写socket文件的方式操作网卡)
对于一个服务端来说,重要的是提供多个客户端的请求处理及响应,具体流程如下:
2. 常见的API
DatagramSocket API
DatagramSocket是UDP Socket,用于发送和接收UDP数据报。
DatagramSocket构造方法:
方法 | 说明 |
---|---|
DatagramSocket() | 创建一个UDP数据报套接字Socket,绑定到主机任意一个随机端口(客户端不需要绑定端口号) |
DatagramSocket(int port) | 创建一个UDP数据报套接字Socket,绑定到本机指定的端口(服务器) |
DatagramSocket方法:
方法 | 说明 |
---|---|
void receive(DatagramPacket p) | 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,如果接收到数据,会返回一个DatagramPacket对象) |
void send(DatagramPacketp) | 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(UDP中的Socket生命周期跟随整个程序,所以close()方法不太需要关闭,如果进程结束就会释放相应资源) |
DatagramPacket API
DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。
DatagramPacket 构造方法:
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,接收指定长度(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到指定长度(第二个参数length)。address指定目的主机的IP和端口号 |
DatagramPacket 方法:
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 |
构造UDP发送的数据报时,需要传入 SocketAddress ,该对象可以使用 InetSocketAddress 来创建。
InetSocketAddress API
InetSocketAddress ( SocketAddress 的子类 )构造方法:
方法 | 说明 |
---|---|
InetSocketAddress(InetAddress addr, int port) | 创建一个Socket地址,包含IP地址和端口号 |
四、UDP数据报套接字编程
以下两个小栗子,体现了UDP通信的业务逻辑,快来试试吧❤
1. 回显服务器
回显服务器:虽然是网络通信流程,但实际上仍是一台主机之间进行通信
回显服务器没有第③部分,相当于客户端请求是啥,返回给客户端的响应就是啥!
服务器代码:
package UDPEcho;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;
public class UdpEchoServer {
//创建socket对象(数据报套接字)
private DatagramSocket socket = null;
//服务器启动时需绑定一个端口号,收到数据时用于发送响应到某一个进程
//端口号实际上是两个字节的无符号整型数据,0-65535
public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
socket = new DatagramSocket(port);
}
//启动服务器
public void start() throws IOException {
System.out.println("启动程序!");
//服务器一般是持续运行(24h*7)
while(true){
//1.读取请求,服务器一般不知道客户端啥时候发来请求
//receive()参数DatagramPacket是一个输出型参数,socket中读到的数据会设置到这个参数的对象中
//DatagramPacket在构造的时候需要一个缓冲区(实际上是一段内存空间, 通常使用byte[])
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
socket.receive(requestPacket); //收到请求之前,receive()操作在阻塞等待!
//把requestPacket中的内容取出来,作为一个字符串
String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
//2.根据请求计算响应
String response = process(request);
//3.构造responsePacket响应
//此处设置的参数长度 必须是 字节的长度个数!response.getBytes().length
//如果直接取response.length,则是字符串的长度,也就是字符串的个数
//当前的responsePacket在构造时,需要指定这个包要发给谁;发送给的目标即发来请求的一方
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());
//4.发送响应到客户端
socket.send(responsePacket);
//5.打印日志(格式化字符串--后面的参数和类型都必须一致)
String log = String.format("[%s:%d] request:%s,response:%s",
requestPacket.getAddress().toString(),
requestPacket.getPort(),
request, response);
System.out.println(log);
}
}
//此处的process()方法负责的功能是根据请求来计算响应
//由于当前是一个回显服务器,就是把客户端发来的请求,服务器发回即可!
private String process(String request) {
return request;
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);
server.start();
}
}
客户端代码:
package UDPEcho;
import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;
public class UdpEchoClient {
//创建一个socket对象
private DatagramSocket socket = null;
private String serverIp;
private int serverPort;
//此处的参数ip和port是要连接的服务器的ip和port
//客户端一启动的时候就需要知道服务器的IP和port,然而服务器启动时是无法知道客户端的ip和port的,
//直到客户的请求到了,服务器才知道对应客户端的ip和port
public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {
this.serverIp = serverIp;
this.serverPort = serverPort;
this.socket = new DatagramSocket(); //客户端在构造方法中,不需要指定端口号(自己的端口号)
//如果当前的DatagramSocket构造方法中没有指定端口的话,操作系统会自动分配一个空闲的端口号给客户端使用(随机分配)
}
public void start() throws IOException {
//1.从标准输入读入一个数据
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while(true){
String request = scanner.nextLine();
if(request.equals("goodbye")){
System.out.println("goodbye!");
return;
}
//2.把字符串构造成一个UDP请求,并发送数据!
//这个DatagramPacket当中既要包含具体的数据,又要包含这个数据发送给谁
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
socket.send(requestPacket);
//3.尝试从服务器这里读取响应
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
socket.receive(responsePacket);
String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
//4.显示结果
String log = String.format("request:%s,response:%s", request, response);
System.out.println(log);
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
//127.0.0.1 环回IP(loopback),客户端和服务器在同一台主机上
//如果在不同主机上,此时就要写成对应服务器的IP
UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);
client.start();
}
}
2. 查字典服务器
服务器代码:
package UDPDict;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;
/*实现汉译英功能,客户端输入的请求是英文单词,返回的响应是对应的中文解释。 */
public class UdpDictServer {
//创建一个socket对象
private DatagramSocket socket = null;
private HashMap<String, String> dict = new HashMap<>();
//带一个参数的构造函数(服务器需手动指定一个port,用于描述客户端向服务器指定端口发送请求)
public UdpDictServer(int port) throws SocketException {
//socket绑定端口
socket = new DatagramSocket(port);
//初始化hash表
dict.put("hello", "你好");
dict.put("cat", "小猫");
dict.put("dog", "小狗");
}
//启动服务端程序
public void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动!");
while(true){
//接收请求receive(),如果没有数据请求过来就一直阻塞等待,直到接收到数据请求
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
socket.receive(requestPacket);
//解析请求(取出请求的内容)
String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
//处理回响
String response = process(request);
//构造响应,并发送至客户端(需要指定responsePacket包要发送给谁)
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),
response.getBytes().length,
requestPacket.getSocketAddress());
socket.send(responsePacket);
//打印日志
String log = String.format("[%s:%d],request:%s,response:%s",
requestPacket.getAddress().toString(),
requestPacket.getPort(),
request,response);
System.out.println(log);
}
}
//根据请求计算响应(核心操作)
private String process(String request) {
//TODO:英汉互译,具体实现就是 查表(类似于数据库)
//以 查内存的哈希表 为例
//如果使用hashMap.get()方法,遇到表中没有的单词,即返回null
return dict.getOrDefault(request, "[单词在字典中不存在!]");
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
UdpDictServer udpDictServer = new UdpDictServer(9090);
udpDictServer.start();
}
}
客户端代码:
package UDPDict;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;
import java.util.Scanner;
public class UdpDictClient {
private DatagramSocket socket = null;
private int serverPort;
private String serverIp;
public UdpDictClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {
this.serverIp = serverIp;
this.serverPort = serverPort;
socket = new DatagramSocket();//端口随机分配,IP本机地址
}
public void start() throws IOException {
//标准输入一个数据
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while(true){
String request = scanner.nextLine();
if(request.equals("goodbye")){
System.out.println("goodbye!退出程序!");
return;
}
//封装为一个请求packet,并发送!(需要指定要发送的服务器的IP和port)
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
InetAddress.getByName(serverIp),
serverPort);
socket.send(requestPacket);
//解析响应并显示
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[2048],2048);
socket.receive(responsePacket);
String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());
String log = String.format("request:%s,response:%s",request,response);
System.out.println(log);
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
UdpDictClient udpDictClient = new UdpDictClient("127.0.0.1", 9090);
udpDictClient.start();
}
}
ღ( ´・ᴗ・` )比心~
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