网络原理 | TCP与UDP协议的区别以及回显服务器的实现

目录

TCP与UDP协议的区别

基于 UDP 协议实现回显服务器 

UDP Socket 编程常用 Api

UDP 服务器

UDP 客户端

基于 TCP 协议实现回显服务器

TCP Socket 编程常用 Api

TCP 服务器

TCP 客户端 

TCP 服务端常见的 bug 

客户端发送数据后，没有响应

服务器仅支持与一个客户端建立连接 

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TCP与UDP协议的区别

        传输控制协议（TCP）与 用户数据报协议（UDP）是传输层两个重要的协议，二者互补共存，共同支撑互联网的多层次传输需求。

 二者的区别如下：

        · TCP 协议是有连接的、可靠传输、面向字节流、全双工

        · UDP 协议是无连接的、不可靠传输、面向数据报、全双工

        其中有/无连接是指：如果通信双方保存了通信对端的信息，就相当于是有连接；如果不保存对端的信息，就是无连接。 

        可靠传输/不可靠传输：此处的可靠不是指 100% 能到达对方，而是指“尽可能”确保数据的传输，而“不可靠”则意味着完全不保证数据是否能成功到达对方。TCP 通过一些内置机制（确认应答机制、重传机制等）保证了可靠传输，UDP则没有可靠性机制。

        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；而 UDP 是面向数据报的，其传输数据的基本单位是数据报，一次发送/接收必须发送/接收完整的数据报。

        全双工/半双工：全双工是指一个通信链路既可以发送数据也可以接收数据（双向通信），半双工是指一个通信链路只能发送/接收数据（单向通信）。

TCP 和 UDP 的选择以及适用场景：

· 当数据准确性 > 传输延迟时（例如软件更新下载、文件传输、网页浏览等场景），选择 TCP。

        因为 TCP 能够保证数据的可靠传输，通过确认应答、重传机制等手段确保数据的完整性和准确性，适用于对数据传输准确性要求较高的应用。

· 当实时性 > 数据完整性时（例如多人游戏同步、在线视频会议、实时语音通话等场景），选择 UDP。

        UDP适用于对实时性要求较高的场景，虽然它不保证数据的完整性，但能减少延迟，确保数据传输的实时性。特别是在实时通信中，丢失少量数据包对用户体验的影响相对较小，而过高的延迟可能影响整体体验。

基于 UDP 协议实现回显服务器 

UDP Socket 编程常用 Api

· DatagramSocket：是一种用于网络通信的套接字对象，代表了操作系统中一个特定类型的“文件”资源。可以将其理解为操作系统对网络设备（如网卡）的一种抽象表示，就像操作系统将硬盘、键盘等设备抽象为文件一样，DatagramSocket 抽象了网络数据的发送与接收通道。它专门用于通过 UDP（用户数据报协议） 发送和接收数据报（Datagram），支持无连接、不可靠但高效的通信方式。通过 DatagramSocket，应用程序能够将数据以数据报的形式发送到目标地址，同时也能接收来自网络上其他节点的数据报，实现轻量级的网络通信。

· DatagramSocket的构造方法包括以下两种形式：

        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（通常用于客户端）

        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（通常用于服务端）

· DatagramSocket类下的方法：

        void receive(DatagramPacket p)：从套接字接收数据报，如果没有接收到数据报就会阻塞等待

        void send(DatagramPacket p)：从套接字发送数据报，不会阻塞等待，直接发送

        void close()：关闭此数据报套接字

 · DatagramPacket：是 UDP Socket 发送/接收的数据报，其构造方法包括：

        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类下的方法：

        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

        回显服务器需要实现两个程序：UDP 服务器和 UDP 客户端，主动发起通信的一方称为客户端，被动接收的一方的是服务器。

UDP 服务器

package network;import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;/*** Created with IntelliJ IDEA.* Description: 回显服务器* 客户端发啥样的请求，服务器就返回啥样的响应* User: Li_yizYa* Date: 2025/5/13* Time: 15:29*/
public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}/*** 通过 start 启动服务器的核心流程*/public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动!");while (true) {// 此处通过 “死循环” 不停的处理客户端的请求.// 1. 读取客户端的请求并解析DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(requestPacket);// 上述收到的数据，是二进制 byte[] 的形式体现的，后续代码如果要进行打印之类的处理操作// 需要转成字符串才好处理String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());// 2. 根据请求计算响应，由于此处是回显服务器，响应就是请求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, resp=%s\n", requestPacket.getAddress(), requestPacket.getPort(),request, response);}}public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

UDP 客户端

package network;import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;/*** Created with IntelliJ IDEA.* Description:* User: Li_yizYa* Date: 2025/5/13* Time: 15:29*/
public class UdpEchoClient {DatagramSocket socket = null;private String serverIP;private int serverPort;public UdpEchoClient(String serverIP, int serverPort) throws IOException {socket = new DatagramSocket();this.serverIP = serverIP;this.serverPort = serverPort;}public void start() throws IOException {System.out.println("启动客户端");Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true) {// 1. 从控制台读取到用户的输入System.out.print("-> ");String request = scanner.next();// 2. 构造一个 UDP 请求，发送给服务器DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,InetAddress.getByName(this.serverIP), this.serverPort);socket.send(requestPacket);// 3. 从服务器读取到响应DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(responsePacket);String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());// 4. 把响应打印到控制台上System.out.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {// 127.0.0.1 特殊 IP，环回 IP// 如果客户端和服务器在同一个主机上，就使用这个 IPUdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

基于 TCP 协议实现回显服务器

TCP Socket 编程常用 Api

        在TCP Socket编程中，核心类是 ServerSocket（专门给服务器使用的 Socket 对象）和 Socket（既会给客户端使用，又会给服务器使用）。由于 TCP 协议是面向字节流的，其数据的基本传输单位就是 byte，因此不需要像 UDP 协议那样定义一个类来表示 “数据报” 对象。

· ServerSocket：是创建 TCP 服务器 Socket 的 Api，其构造方法为：

        ServerSocket(int port)：创建⼀个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口

· ServerSocket 类下常用的方法：

        Socket accept()：开始监听指定端口（创建时绑定的端口），有客户端连接后，返回⼀个服务端 Socket 对象，并基于该 Socket 建立与客户端的连接，否则阻塞等待

        void close()：关闭此套接字

 · Socket：其是客户端 Socket，或服务端接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务端 Socket。不管是客户端还是服务端 Socket，都是双方建立连接以后，保存的对端信息，及时用来与对方收发数据的。其构造方法为：

        Socket(String host, int port)：创建⼀个客户端流套接字 Socket，并与对应 IP 的主机 上，对应端口的进程建立连接。

· Socket 类下的方法：

        InetAddress getInetAddress()：返回套接字所在的地址

        InputStream getInputStream()：返回此套接字的输入流

        OutputStream getOutputStream()：返回此套接字的输出流

TCP 服务器

package network;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;/*** Created with IntelliJ IDEA.* Description: TCP回显服务器* 客户端发啥样的请求，服务器就返回啥样的响应* User: Li_yizYa* Date: 2025/5/21* Time: 20:19*/
public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket = null;public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("启动服务器");while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();Thread t = new Thread(() -> {try {processConnection(clientSocket);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}});t.start();}}// 针对一个连接，提供处理逻辑private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {// 先打印一下客户端信息System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());// TCP 是全双工的通信，一个 socket 对象，既可以读，也可以写// 获取到 socket 中持有的流对象try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {// 使用 Scanner 包装一下 inputStream，就可以更方便的读取这里的请求数据了while (true) {// 1. 读取请求并解析Scanner scanner = new Scanner(inputStream);PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);if (!scanner.hasNext()) {// 如果 scanner 无法读取出数据，说明客户端关闭了连接，导致服务器这边读取到 “末尾”break;}String request = scanner.next();// 2. 根据请求计算响应String response = process(request);// 3. 把响应写回给客户端// 此处可以按照字节数组来写，也可以右另外一种写法// outputStream.write(response.getBytes());printWriter.println(response);printWriter.flush();// 打印日志System.out.printf("[%s:%d] req=%s; resp=%s\n", clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(), request, response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());clientSocket.close();}}private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);server.start();}
}

TCP 客户端 

package network;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;/*** Created with IntelliJ IDEA.* Description:* User: Li_yizYa* Date: 2025/5/21* Time: 20:20*/
public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;/*** 构造方法* @param serverIp 服务器 Ip* @param serverPort 服务器端口号*/public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {socket = new Socket(serverIp, serverPort);}public void start() {System.out.println("客户端启动");try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {Scanner scanner = new Scanner(inputStream);Scanner scannerIn = new Scanner(System.in);PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);while (true) {// 1. 从控制台读取数据System.out.print("-> ");String request = scannerIn.next();// 2. 把请求发给服务器printWriter.println(request);// 引入 flush(冲刷) 操作，主动刷新缓冲区printWriter.flush();// 3. 从服务器读取响应if (!scanner.hasNext()) {break;}String response = scanner.next();// 4. 打印响应结果System.out.println(response);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

TCP 服务端常见的 bug 

客户端发送数据后，没有响应

 在客户端中，我们通过下面的方式给服务端发送请求：

// 2. 把请求发给服务器
printWriter.println(request);

        之所以这里没有响应，是因为其实客户端的数据并没有发送出去，因为 PrintWriter 这个类以及 IO 流中的很多类，都是自带缓冲区的，引入缓冲区之后，进行 写入数据操作 时，不会立即触发 IO，而是先将其放在内存缓冲区中，等缓冲区数据到达一定数量后，才会统一发送。而上述的问题，其实就是因为数据比较少，并未触发发送操作。因此，我们通过引入 flush 操作就可以解决该问题：

// 引入 flush(冲刷) 操作，主动刷新缓冲区
printWriter.flush();

服务器仅支持与一个客户端建立连接 

        对于该问题，引入多线程操作修改服务器代码中的 start 方法即可，每有一个客户端请求建立与服务器的连接，就创建一个线程来专门处理与该客户端之间的数据发送/接收，具体代码如下：

    public void start() throws IOException {System.out.println("启动服务器");while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();Thread t = new Thread(() -> {try {processConnection(clientSocket);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}});t.start();}}