Java【网络原理】（2）初识网络续与网络编程

1.前言

2.正文

2.1TCP协议与UDP协议

2.2socket API进行网络编程

2.2.1DatagramPacket类

2.2.1.1发送数据报

2.2.1.2接收数据报

2.2.1.3获取数据报内容

2.2.1.4设置数据报内容

2.2.2DatagramSocket类

2.2.2.1构造方法

2.2.2.2常用方法

2.2.3具体代码与解释

3.小结

1.前言

哈喽大家好吖，今天继续给大家分享计算机网络相关的知识，先讲解传输层两个重要的UDP和TCP协议，再讲解在UDP中通过socket API来进行网络编程。

2.正文

2.1TCP协议与UDP协议

在讲解二者的概念与对比之前，先提前介绍几个涉及到的概念：

有连接/无连接：指的是通信的A和B两端是否互相保留对方的信息（即彼此之间是否知道是谁和它建立连接）。

可靠传输/不可靠传输：在网络上，很容易出现丢包这种情况，因为光信号和电信号都可能受到外界干扰，如果在传输中识别到某些出错的数据，打包丢掉，保证正常数据传输，这个叫做可靠传输，反之只管发送，不管中间的错误就是不可靠传输。

面向字节流/面向数据包：面向字节流，读写数据的时候，是以字节为单位面向数据报，读写数据的时候，以一个数据报为单位(不是字符)。

全双工/半双工：一个通信链路,支持双向通信(能读,也能写) / 一个通信链路,只支持单向通信~~(要么读,要么写)

讲解完以上概念，正文就可以顺利开始~

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）是互联网中最重要的两种传输层协议，负责在应用程序之间传输数据。它们在设计目标、工作原理和应用场景上有显著差异。以下是详细的对比和解析：

TCP

特点：

面向连接：通信前需通过三次握手建立可靠连接，结束时通过四次挥手释放连接。

可靠传输：通过确认应答（ACK）、超时重传、数据排序、流量控制和拥塞控制确保数据完整、有序、无丢失。

全双工通信：支持双向数据流传输。

字节流模式：数据被看作无结构的字节流，由TCP自行分割和重组。

优点:

数据可靠性高，适合文件传输、网页浏览等场景。

自动处理数据分片、重组和错误恢复。

缺点:

建立和释放连接的开销大。

传输延迟较高。

UDP

特点：

无连接：直接发送数据，无需建立连接。

不可靠传输：不保证数据到达、顺序或完整性。

数据报模式：每个数据包独立处理，保留边界。

全双工通信：支持双向数据流传输。

优点：

传输速度快、延迟低。

资源占用少，适合实时性要求高的场景。

支持广播和多播（一对多通信）。

缺点：

不保证数据可靠性，可能丢失或乱序。

2.2socket API进行网络编程

接下来，就到了咱们的代码环节了，我们将利用socket API来创建一个本地的UDP回显服务器。那么何为回显服务器呢？

UDP回显服务器是一种简单的网络服务，它接收客户端发送的UDP数据报，并将相同的数据报原样返回给客户端，即请求和响应相同。

2.2.1DatagramPacket类

在开始创建一个本地的UDP回显服务器之前，需要先介绍一下我们要使用的DatagramPacket类：

DatagramPacket类用于封装UDP数据报。它表示一个UDP数据报的结构，包括数据内容、目标地址、目标端口、数据长度等信息。

2.2.1.1发送数据报
DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)
buf：要发送的数据，存储在字节数组中。

length：要发送的数据的长度。

address：目标主机的 IP 地址，类型为 InetAddress。

port：目标主机的端口号。

2.2.1.2接收数据报
DatagramPacket(byte[] buf, int length)
buf：用于存储接收到的数据的字节数组。

length：字节数组的长度，即最大可接收的数据长度。

2.2.1.3获取数据报内容

getData()：返回数据报的数据，类型为 byte[]。

getLength()：返回数据报的实际数据长度。

getAddress()：返回发送方的 IP 地址（接收时使用）。

getPort()：返回发送方的端口号（接收时使用）。

2.2.1.4设置数据报内容

setData(byte[] buf)：设置数据报的数据。

setLength(int length)：设置数据报的长度。

setAddress(InetAddress address)：设置目标地址。

setPort(int port)：设置目标端口。

2.2.2DatagramSocket类

DatagramSocket类用于发送和接收UDP数据报。它表示一个UDP端点，可以绑定到本地端口，并通过网络发送和接收数据报。

2.2.2.1构造方法

DatagramSocket（）：系统随机分配一个未使用的本地端口。
DatagramSocket（int port）：绑定指定的本地端口。
DatagramSocket（int port， InetAddress address）：绑定到指定的本地端口和地址。

2.2.2.2常用方法

void send（DatagramPacket p）：发送数据报。
void receive（DatagramPacket p）：接收数据报。
void close（）：关闭套接字。

2.2.3具体代码与解释

下面是具有详细的注释的代码与讲解：

UdpEchoServer：

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 {// 指定了一个固定端口号, 让服务器来使用.socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {// 启动服务器System.out.println("服务器启动");while (true) {// 循环一次, 就相当于处理一次请求.// 处理请求的过程, 典型的服务器都是分成三个步骤的.// 1. 读取请求并解析.//    DatagramPacket 表示一个 UDP 数据报. 此处传入的字节数组, 就保存 UDP 的载荷部分.DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(requestPacket);//    把读取到的二进制数据, 转成字符串. 只是构造有效的部分.String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());// 2. 根据请求, 计算响应. (服务器最关键的逻辑)//    但是此处写的是回显服务器. 这个环节相当于省略了.String response = process(request);// 3. 把响应返回给客户端//    根据 response 构造 DatagramPacket, 发送给客户端.//    此处不能使用 response.length()DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());//    此处还不能直接发送. UDP 协议自身没有保存对方的信息(不知道发给谁)//    需要指定 目的 ip 和 目的端口.socket.send(responsePacket);// 4. 打印一个日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", requestPacket.getAddress().toString(), requestPacket.getPort(),request, response);}}// 后续如果要写别的服务器, 只修改这个地方就好了.// 不要忘记, private 方法不能被重写. 需要改成 publicpublic String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

UdpEchoClient：

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;// UDP 本身不保存对端的信息, 就自己的代码中保存一下private String serverIp;private int serverPort;// 和服务器不同, 此处的构造方法是要指定访问的服务器的地址.public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true) {// 1. 从控制台读取用户输入的内容.System.out.println("请输入要发送的内容:");if (!scanner.hasNext()) {break;}String request = scanner.next();// 2. 把请求发送给服务器, 需要构造 DatagramPacket 对象.//    构造过程中, 不光要构造载荷, 还要设置服务器的 IP 和端口号DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);// 3. 发送数据报socket.send(requestPacket);// 4. 接收服务器的响应DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(responsePacket);// 5. 从服务器读取的数据进行解析, 打印出来.String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());System.out.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

实现核心思路：

服务器端：

打开一个UDP套接字（Socket）。

绑定到一个指定的端口，等待客户端发送数据。

接收客户端发送的UDP数据报。

将接收到的数据报原样发送回客户端。

重复上述过程，直到服务器关闭。

客户端：

打开一个UDP套接字。

向服务器的指定端口发送数据报。

接收服务器返回的数据报。

比较发送和接收的数据是否一致，以验证数据传输的完整性。

关闭套接字。