【Java ee初阶】网络编程 UDP socket

网络编程

socket api 是传输层提供的api。

UDP 无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工。

TCP 有链接，可靠传输，面向字节流，全双工。

UDP socket api 数据报

DatagrammSocket 代表了操作系统中的socket文件。

文件是“硬盘”硬件设备的抽象，读写文件的时候，本质上是在操作硬盘。实际上，文件在操作系统中，是更广义的概念，可以代表更多的硬件设备和软件资源。

例如，标准输入和标准输出，对应的文件就是System.in和System.out。

网卡，网卡硬件设备也是通过文件来进行封装的。通过网络发送数据，需要往网卡中写入。通过网络接收数据，需要从网卡中读取。

封装网卡的文件，我们称为“socket 文件”

使用的时候要进行的操作：

1.打开

2.读写

3.关闭

Java中创建一个DatagramSocket对象，就是在操作系统中打开了一个socket文件，这样子的socket文件，就代表了网卡。

通过这个对象写入数据，就是在通过网卡发送数据。通过这个对象读取数据，就是在通过网卡接收数据。

UDP数据报套接字编程

API介绍

DatagramSocket

DatagramSocket是UDP Socket，用于发送和接收UDP数据报。

DatagramSocket构造方法：

UDP数据报套接字方法表

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（一般用于客户端）
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（一般用于服务端）

DatagramSocket方法

数据报套接字方法表

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

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。

DatagramPacket构造方法：

DatagramPacket方法说明表

方法签名	方法说明
DatagramPacket(byte[]buf,int length)	构造一个DatagramPacket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：

网络编程方法签名及说明表

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

这个对象本质上就是包装了字节数组。

网络通信程序的基本流程[通用的流程]

这个模型为一问一答模型，其实还有其他的模型，因为对于服务器来说，通常是要给多个客户端提供服务的。

接下来写一个最简单的网络程序。

服务器

1. 从客户端读取到请求内容

2. 根据请求计算响应

3. 把响应返回给客户端

客户端

1. 从控制台读取用户输入的内容

2. 通过网络发送给服务器

3. 从服务器读取到响应

4. 把响应结果显示到控制台上 不同的服务器，根据请求，计算出来的响应是不一样的，具体的根据业务逻辑去实现。

此处就做一个简单的“回显服务器”(echo server) 省略了根据请求计算响应部分，而是把请求直接作为响应进行返回。

 关注要点：

 1. socket api的使用

2. 客户端服务器的工作流程

网络通信中关于套接字（socket）绑定的端口号谁是源端口，谁是目的端口？需要具体情况具体分析。

我们已经知道了网络通信五元组为： 源ip，源端口，目的ip，目的端口，协议类型

而服务器在启动的时候，绑定一个端口号(假设9090，咱们可以随意指定的)

客户端在启动的时候，绑定一个端口号(假设1234)

客户端给服务器发的请求， 源端口就是1234，目的端口就是9090

服务器给客户端返回的响应 源端口就是9090，目的端口就是1234

我们需要指定的是“空闲端口”

一个端口同一时刻，只能被一个进程(socket) 绑定

假设，微信和QQ音乐绑定了同一个端口，此时网卡收到了这个端口的数据，要交给哪个程序来处理呢？操作系统是不支持这个操作的。

如果在绑定端口的时候，该端口已经被其他进程占用了，此时绑定就会失败，也就是抛出异常。

端口号在网络协议中，是使用 2 个字节表示的无符号整数， 范围为0 - 65535

而0-1024 这个范围的端口，称为“知名端口号” 。这些端口号被系统预留了，给一些知名的协议的服务器来进行使用的。

我们自己写代码最好避开这个范围。

那么怎么知道哪些端口被占用了？ 又如何知道，当前系统中，正在运行的程序都使用了哪些端口呢?

此时有两种方法供我们选择：

 1) 尝试绑定一下，成功就ok，不成功就换个。

2) 通过命令查看端口的情况. windows 中通过 netstat 命令查看 netstat -ano

*通过观察可知，tcp更多。其实tcp和udp都可能更多。 取决于电脑上都装了哪些程序， 但是事实上，tcp确实比udp功能更强，大部分程序使用tcp协议，所以tcp更多也是可以理解的。

 *端口号是2个字节但是用int接收， 它会检查我们输入的大小吗？系统的原生API不会检查，但是如果设置的比较大，会直接截断。 Java的API 确实是检查了：

由于服务器要给多个客户端提供服务，并且每个客户端都可能发起多个请求。 所以我们要使用while循环，来持续不断的处理各种客户端的各种请求。 死循环，不见得是bug。尤其是对于服务器，主逻辑往往就是一个死循环。

其中 p是一个输出型参数

编写 udp 版本的 echo server

服务器一启动，就会执行到 receive.
如果此时还没有客户端，发送任何请求，receive 就会阻塞。

其中responseString.getBytes().length是传入字节数组的长度，以字节为单位。

构造这个 DatagramPacket 的时候，需要拿着 String 里面的字节数组来进行构造。

千万不能写作response.length ();因为这个是以字符为单位

进行send的时候，要把这个packet发给谁呢？ 一个服务器，对应多个客户端

原则上，这个请求是谁发的，我就返回给谁。

而 UDP是“无连接”，也就是说UDP socket自身，里面不保存对方的信息的

此时就需要把 发给谁这样的信息，放到“packet”中

一次通信，涉及到一个“五元组”

源IP，源端口 目的IP，目的端口 协议类型

上次谈到的“封装”“分用”

服务器收到的客户端的请求，不是光一个UDP数据报

UDP外面有IP IP外面有以太网数据帧……

request.getSocketAddress()这个方法，拿到了这个数据包对应的客户端的 IP和端口。

 调用receive操作收到的其实是一个完整的这样的“数据”。虽然以太网报头和IP的报头，都被操作系统解析了。 但是仍然可以通过DatagramPacket 类获取到其中的关键信息。

把这里的客户端中的ip和端口拿出来，用来构造响应数据报

这里的代码可以体现UDP的几个特点：

1.UDP无连接

一上来就可以直接receive /send

没有建立连接的代码

2.面向数据报

3.全双工

 

*一些区别，request.getSocketAddress拿到ip和端口的整体，而reqPacket.getAddress只获取ip。

package network.UDP;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;public class EchoServer {//创建socket对象private DatagramSocket socket;//创建构造方法，初始化socket对象public EchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}//启动服务器，完成主要的业务逻辑public void start() throws IOException{System.out.println("服务器启动！");while (true) {//1.读取请求并进行解析//（1）创建一个空白DatagramPacket对象DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);//（2）通过receive方法读取网卡的数据，如果网卡没有收到数据，就会阻塞socket.receive(request);//（3）解析数据，得到请求的内容String requestString = new String(request.getData(), 0, request.getLength());//2.根据请求计算响应String responseString = process(requestString);//3.把响应写回客户端//（1）创建一个DatagramPacket对象，封装响应内容DatagramPacket response = new DatagramPacket(responseString.getBytes(), responseString.getBytes().length,request.getSocketAddress());//（2）把DatagramPacket对象通过send方法发送给客户端socket.send(response);//4.打印日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\n", request.getAddress().toString(), request.getPort(), requestString, responseString);}}//根据请求内容，返回响应内容//由于我们是“回显服务器”，所以响应内容就是请求内容private String process(String requestString) {return requestString;}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoServer echoServer = new EchoServer(9090);echoServer.start(); }
}

编写 udp 版本 的 echo client

客户端的构造方法，需要填写服务器的ip和端口。

服务器则不需要，只需要指定自己的端口。

作为服务器，发数据的时候，就可以通过收到的请求，直到是要发给谁。

作为客户端，主动发起的一方，必须得实现知道服务器在哪里。(程序员手动指定的)

客户端在创建socket对象的时候，不需要指定端口号， 操作系统会自动分配一个空闲的端口

客户端这里指定也可以，但是通常不会这么做， 因为一个端口，同一时刻，只能被一个进程绑定。(第二个进程也尝试绑定，就会出错)

对于服务器来说，由于服务器是在程序员自己手里。如果出现端口冲突了，程序员很容易就能处理

而 对于客户端来说，是在用户自己的电脑上的。(用户电脑上可能会安装很多奇奇怪怪的程序，占用各种奇奇怪怪的端口，程序员管不着，也不能管) 所以，如果客户端里指定固定端口，就很可能会和客户端电脑上的其他程序的端口冲突。因此通常不需要指定端口号。

package network.UDP;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 EchoClient {private DatagramSocket socket = null; //创建socket对象，用于发送和接收数据报private String serverIp; //服务器的IP地址private int serverPort; //服务器的端口号public EchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException { //构造方法，初始化socket对象this.serverIp = serverIp; //初始化服务器IP地址this.serverPort = serverPort; //初始化服务器端口号socket = new DatagramSocket(); //创建DatagramSocket对象，用于发送和接收数据报}public void start() throws IOException { Scanner scanner = new Scanner(System.in); //创建Scanner对象，用于读取用户输入System.out.println("客户端启动！"); while (true) { System.out.println("->"); String requestString = scanner.nextLine(); DatagramPacket request  = new DatagramPacket(requestString.getBytes(), requestString.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp),serverPort); socket.send(request); //发送数据报DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096); //创建DatagramPacket对象，用于接收数据报socket.receive(response); //接收数据报String responseString = new String(response.getData(), 0, response.getLength()); //解析数据报，得到响应内容System.out.println(responseString); //打印响应内容}}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoClient client = new EchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}}

环回IP 英文名叫loopback 表示自己这个主机。 当服务器和客户端在同一个主机上的时候 无论主机真实的ip是啥，都可以通过127.0.0.1来访问服务器。

如果启动出现以下错误，说明端口已经被占用了

编写 udp 版本的字典客户端和字典服务器

package network.UDP;import java.io.IOException;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class DictServer extends EchoServer{private Map<String,String> dict = new HashMap<>();public DictServer(int port) throws SocketException {super(port);dict.put("cat", "猫");dict.put("dog", "狗");dict.put("pig", "猪");dict.put("cow", "牛");dict.put("sheep", "羊");dict.put("chicken", "鸡");dict.put("duck", "鸭");dict.put("goat", "羊");dict.put("horse", "马");dict.put("elephant", "大象");dict.put("monkey", "猴");dict.put("tiger", "老虎");dict.put("lion", "狮子");dict.put("giraffe", "长颈鹿");dict.put("zebra", "斑马");dict.put("bear", "熊");dict.put("fox", "狐狸");dict.put("wolf", "狼");dict.put("deer", "鹿");dict.put("rabbit", "兔子");dict.put("mouse", "老鼠");dict.put("hamster", "仓鼠");dict.put("fish", "鱼");}@Overridepublic String process(String requestString) {return dict.getOrDefault(requestString, "未找到该单词");}public static void main(String[] args) throws IOException {DictServer dictServer = new DictServer(9090);dictServer.start();}}

package network.UDP;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 EchoClient {private DatagramSocket socket = null; //创建socket对象，用于发送和接收数据报private String serverIp; //服务器的IP地址private int serverPort; //服务器的端口号public EchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException { //构造方法，初始化socket对象this.serverIp = serverIp; //初始化服务器IP地址this.serverPort = serverPort; //初始化服务器端口号socket = new DatagramSocket(); //创建DatagramSocket对象，用于发送和接收数据报}public void start() throws IOException { Scanner scanner = new Scanner(System.in); //创建Scanner对象，用于读取用户输入System.out.println("客户端启动！"); while (true) { System.out.println("->"); String requestString = scanner.next(); DatagramPacket request  = new DatagramPacket(requestString.getBytes(), requestString.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp),serverPort); socket.send(request); //发送数据报DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096); //创建DatagramPacket对象，用于接收数据报socket.receive(response); //接收数据报String responseString = new String(response.getData(), 0, response.getLength()); //解析数据报，得到响应内容System.out.println(responseString); //打印响应内容}}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoClient client = new EchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}}