网络编程概念详解模拟回显客户端服务器

目录

1.网络中重要的概念

1）IP地址：

2）端口号：

3）协议

协议分层

OSI七层模型(教科书)

TCP/IP五层模型

封装和分用

网络套接字

面试题：TCP/UDP的区别？

UDP数据报套接字编程

模拟一个回显客户端-服务器

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1.网络中重要的概念

在网络通信中，如何区别是从哪台主机将数据传输到哪台主机上呢？这就需要IP地址来标识。

1）IP地址：

IP地址描述了一台主机在互联网上的位置，IP地址是使用一个32位的二进制数表示的，通常被分为4个“8位二进制数”也就是4个字节。

使用“点分十进制”这样的方式来表示“IP地址”。这样的方式更有利于人们的阅读。

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2）端口号：

标识主机中发送数据，接收数据的进程，定位主机上的指定位置应用程序（进程）

一个主机上使用网络有的很多个程序，通过端口号区分，当前主机收到的数据是要交给哪些程序来使用。端口号同样也是一个整数，一个2个字节的整数。

虽然端口号是0->65535范围，但是0->1023这些端口都是有特定含义的，我们一般使用这个范围之外的。

问题：有了IP地址和端口号就可以定位网络中的唯一进程，但是网络通信是基于二进制0/1数据来传输的，如何告诉对方发送的数据是什么样呢？因为数据的形式多种多样，有文字有图片等等

3）协议

网络协议简称协议，所有网络数据传输经过所有的网络设备都必须遵守的规则，比如怎么样建立链接，怎么样相互识别。遵守统一的规则计算机才能相互通信交流。

协议最终体现为网络传输数据包的格式。

为什么需要协议?

计算机传播的媒介是光信号和电信号,通过"频率","强弱"来表示0/1,相传数不同的信息就需要约定好双方的数据格式

• 计算机的生厂商很多
• 计算机操作系统很多
• 计算机网络硬件设备也很多

如果让这些厂商生产的计算机顺利通信,就必须要有一个共同的标准来遵守

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协议分层

了解协议之后,如何进行网络通信的问题就转化为如何设计网络通信协议

网络传输数据依靠光信号,电信号,电磁波,本质上是传输010101这样的一串二进制,通信时就需要约定好这串数字是什么意思..

由于网络通信十分复杂,仅仅一个协议约定网络通信中所有细节是不可能的.所以就会把一个大协议拆分许多小的协议,去解决某一类问题,再让这些小协议相互配合------协议分层

约定好,协议之间不能i相互调用,只能上层调用下层协议; 图中的最后就叫做 协议栈/协议族

协议分层的好处?

• 降低使用的成本,使用某个协议的时候不需要关注其他协议的实现细节.
• 降低整个协议的耦合性,灵活的变更某个层次的协议

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OSI七层模型(教科书)

七层模型过于复杂不实用,所以只存在与教科书上,没有被应用.

TCP/IP五层模型

物理层考虑的较少,所以有时候就是四层模型

• 应用层负责程序之间的沟通,程序具体要做什么事情.程序员网络编程主要负责这一层的处理
• 传输层只关心网络通信中的起点和终点,不关心通信的中间细节
• 网络层进行网络通信的中间路径规划,还需要负责地址的管理
• 数据链路层针对上述规划的路径进行具体的实施
• 物理层描述的是硬件设备需要描述的物理设备需要什么条件

设备驱动程序是操作系统和硬件通信,管理硬件使用的程序,驱动程序是厂商配套使用的.

主机实现了从传输层到物理层,也就是下四层模型

路由器实现了网络层到物理层下三层结构

交换机实现数据链路层到物理层的下两层结构

集线器只实现了物理层

这里说的交换机与路由器都是传统意义上的机器,现在随着技术发展已经可以实现3/4层的交换机,4层路由器.

所以真实情况下,交换机可能工作在网络层 甚至传输层,路由器也可能工作在数据链路层和网络层,甚至应用层.

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封装和分用

封装就类似于字符串的拼接

在使用通信工具的时候,在输入框内一个内容发送; 这个内容就被读取构造成一个"应用层数据包"

应用层网络协议就描述了数据包的构造. 一般应用层的协议是程序员自己定义的.

例举一个定义应用层数据包的案例.

1.将内容打包成应用层数据包

数据包的格式:    发送者的账号_接受者的账号_发送时间_消息正文\n

数据包的样例:     1234567890_20520863360_2024-08-8-12:00:00_hellow\n;

进行网络传输数据 通常需要把一个结构化的数据转化成一个字符串;

把结构化的数据转化成二进制字符串 这个过程为序列化;

把二进制字符串转化为一个结构化的数据 这个过程为反序列化

2.通信应用程序会调用操作系统提供的API    (传输层给应用层提供的API)

操作系统会提供一个类似"发送数据"这样的API,然后应用程序就会把上述组织好的应用层数据包作为参数传进来,于是应用层数据包就到了系统内核里面,就进入到传输层的代码部分中去.

此时.传输层就会把上述应用层数据包封装成一个传输层数据包. 传输层有多种协议其中最主要的是TCP和UDP,假设此处使用的是UDP.看你代码中具体是哪种API就调用哪个协议.

计算机的封装就类似于字符串的拼接,

3.传输层构造好数据之后,就会继续调用网络层给传输层提供的API,把数据进一步交给网络层.

网络层里也有很多协议,最主要的是IPv4协议(简称`IP协议).  当然还有IPv6,但是当前仍是IPv4占主导地位,所以这里默认是IPv4.

IP协议就会把上述的 传输层数据包构造成 网络层数据包 

4.网络层继续调用API,把数据交给数据链路层处理

数据链路层常见的协议是以太网(平时插网线,进行上网的这种方式)

5.上述的数据进一步交给物理层(硬件设备)

网卡就会针对上述的二进制数据,进行真正的传输操作.就需要把数据0101这样的序列,转化为光信号/电信号/电磁波.

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接收方视角，此处做的工作就是发送方的逆向工作，发送方的封装认为是快打包，接受就是快递拆解。

1.接收光电信号,把这样的信号还原成101001这样的二进制字符串

2.物理层转换回来的数据交给数据链路层,以太网拿到这个数据包,就会对其进行解析.

拿出这里的报头与载荷,根据报头中的一些信息,做出一些处理.  根据报头信息决定是丢弃还是转发,还是保留(向上解析)

3.网络层拿到上述解析好的数据，也要对其进一步解析，取出IP报头和荷载。

拿出报头数据后也要进行解析，取出IP报头 与 载荷，决定是丢弃转发 或者是保留

4.传输层这边UDP协议，取出UDP报头 和 载荷

此处需要把载荷里的内容交给应用层协议，依赖UDP报头中的“端口号” ，端口号就是来区分不同的进程的。

5.数据就到了通信应用这样的程序里了

通信程序就要针对数据进行“反序列化”，针对这里的数据进行进一步的逻辑。

• 需要把收到的消息显示到界面上
• 播放消息铃声，提醒收到消息
• 显示弹窗
• 更新未读的消息列表

总结：什么是封装 与 分用

封装：就是将数据从一个层级 包装 到另一个层级的过程。在网络传输中 数据从应用层到物理层会经历的多层包装。以上发送信息的举例就是封装。

分用：就是 封装的反过程，即从物理层到应用层 逐步剥离各个层级的包装。在接收端，数据最终被还原为原始的应用数据。

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在封装与分用的过程中可能存在很多交换机 路由器完成数据转发的过程。

中间过程的交换机 路由器也会涉及到 封装与分用。

交换机封装到 数据链路层决定数据是丢弃还是继续转发，不再继续分用（教科书上的交换机）

路由器封装分用到网络层，可以决定是数据继续转发 还是丢弃。

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网络套接字

Socket套接字

是由系统提供的用于网络通信技术，基于TCP/UDP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。

本身为插槽的意思，是操作系统给应用程序传输层给应用层）提供的API。

这个API有两种，一种是TCP，一种是UDP

面试题：TCP/UDP的区别？

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

解释：

有无连接：就是通信双方是否保留了通信对端的信息，保留就相当于是“有连接”，不保留就是“无连接”。

可靠不可靠传输：就是能不能将数据传输到对端，这里的可靠也不是%100，而是大概率。

TCP内置了一些机制能够保证可靠传输：

1.感知到对方是不是收到了

2.重传机制，在对方没有收到的时候进行重试。

UDP没有重传机制，也不管数据有没有顺利达到对端。

面向字节流：TCP传输的过程就和文件流/水流一样特点。

面向数据报：传输数据的基本单位不是字节而是 ”UDP数据报“，一次发送或者接受的就是一个 UDP数据报。

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）

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UDP数据报套接字编程

DatagramSocket：代表一个Socket对象，通过代码直接操作网卡，不好操作，通过操作系统把网卡封装成Socket，应用程序不关心硬件差异 统一操作Socket对象，就能间接操作网卡。

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

DatagramSocket 构造⽅法：

⽅法签名	⽅法说明
DatagramSocket()	创建一个UDP数据报嵌套字的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数据报嵌套字Socket，绑定到本机指定端口（一般用于服务器）

DatagramSocket 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

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模拟一个回显客户端-服务器

服务器代码：

package network;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);}// 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. 把日志打印一下.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();}
}

客户端代码：

package network;import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIP;private int serverPort;public UdpEchoClient(String serverIP, int serverPort) throws SocketException {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. 构造出一个 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 {// UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("47.108.28.88", 9090);UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}