【Java网络编程02】套接字编程
【Java网络编程02】套接字编程
1. Socket套接字
概念：Socket套接字，就是系统提供用于实现网络通信的技术，是基于TCP/IP协议的网络通信基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。
分类：
我们可以把Socket套接字分为两类
- 流套接字：使用传输层TCP协议
TCP，即Transmission Control Protocol（传输控制协议）
以下为TCP的特点：（细节后续有专门章节解释）
- 有连接的
- 可靠传输
- 面向字节流的
- 全双工的
- 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）
一下为UDP的特点（细节后续有专门章节解释）
- 无连接的
- 不可靠传输
- 面向数据报
- 全双工
这里简单介绍一些相关概念：
面向字节VS面向数据报：
这里与文件流中的字符流与字节流很类似，面向字节表明网络传输数据是以字节为单位的，而面向数据报表明UDP传输依靠UDP数据报进行传输（稍后我们在代码中会体现）
全双工VS半双工：
半双工：通信双方基于管道进行传输，但是数据只能单向流动，如图所示：
全双工：通信双方可以实现数据的双向流动，如图所示：
2. UDP数据报套接字编程
2.1 相关API
在运用UDP进行网络编程之前，我们需要先熟悉UDP套接字编程相关API的使用，只有掌握了这些API工具才能更好地进行编程的实现，我们主要学习的有两个类：DatagramSocket，DatagramPacket
- DatagramSocket：OS提供了网络编程所需的API，也叫做"Socket API"，而Java又进行了一层封装，使用提供的类DatagramSocket就可以实现对于网卡等硬件设备文件的读写操作。
- DatagramPacket：前面我们有介绍过，UDP协议是面向数据报的，因此网络传输单位不是字节而是数据报，Java提供类DatagramPacket相当于数据报的抽象，因此实例化该对象相当于构建了一个数据报。在编程中我们发送的与接收数据的参数就是DatagramPacket对象
DatagramSocket（列举部分）：
| 修饰符+返回类型 | 签名 | 说明 |
|---|---|---|
| 构造方法 | DatagramSocket() | 无参构造，创建一个实例对象（通常用于客户端） |
| 构造方法 | DatagramSocket(int port) | 含参构造，参数为端口号，创建一个实例对象（通常用于服务器端） |
| void | send(DatagramPacket p) | 向socket中发送一个数据报 |
| void | receive(DatagramPacket p) | 从socket中接收一个数据报（接收不到就阻塞等待） |
DatagramPacket（列举部分）：
| 修饰符+返回类型 | 签名 | 说明 |
|---|---|---|
| 构造方法 | DatagramPacket(byte[] buf, int length) | 构建一个用于接收数据长度为length的数据报对象 |
| 构造方法 | DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port) | 构建一个将要发送的数据长度为length的数据报，并指定发送目的IP与端口号 |
| byte[] | getData() | 从数据缓冲区中读取数据 |
| int | getLength() | 返回发送或接收的数据长度 |
2.2 UDP编程代码
2.2.1 实现需求
作为我们的第一个UDP实验，我们希望实现一个回显服务器的效果（这相当于网络编程的"Hello World"），需求如下：
- 程序分为两部分，服务器端和客户端
- 客户端可以接收键盘输入内容，封装报文向指定服务器发送数据报
- 服务器端接收数据报后在显示器上打印格式为
[/127.0.0.1, 52523]服务器接收到请求: xxx，并回复给客户端OK - 客户端发送数据报后等待服务器响应内容，然后将响应内容打印在显示器上
- 要求服务器可以持续接收客户端请求，客户端可以不停接收用户键盘输入
2.2.2 代码编写
UDP服务器端代码：
/*** UDP服务器端代码*/
public class UdpServer {private int serverPort = 0; // 服务器端端口private DatagramSocket socket = null;public UdpServer(int port) throws SocketException {this.serverPort = port;this.socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器开始启动....");// 1. 循环处理客户端请求while (true) {// 2. 阻塞等待客户端请求DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(request);// 3. 获得请求后进行处理String responseMsg = process(request);// 4. 将响应回传客户端DatagramPacket response = new DatagramPacket(responseMsg.getBytes(), responseMsg.getBytes().length, request.getSocketAddress());socket.send(response);}}public String process(DatagramPacket request) {// 根据请求数据读取构造字符串String msg = new String(request.getData(), 0, request.getLength());System.out.printf("[%s, %d]服务器接收到请求: %s\n", request.getAddress(), request.getPort(), msg);// 服务器端返回OKreturn "OK";}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpServer udpServer = new UdpServer(9090);udpServer.start();}
}
UDP客户端代码：
/*** UDP客户端代码*/
public class UdpClient {private String serverIP;private int serverPort;private DatagramSocket socket;public UdpClient(String serverIP, int serverPort) throws SocketException {this.serverIP = serverIP;this.serverPort = serverPort;this.socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {System.out.println("客户端启动....");Scanner scanner = new Scanner(System.in);// 1. 用户持续输入System.out.print("->");while (scanner.hasNext()) {String input = scanner.next();// 2. 将用户输入内容构造成数据报DatagramPacket request = new DatagramPacket(input.getBytes(), input.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIP), serverPort);// 3. 向服务器端发送数据报socket.send(request);// 4. 阻塞等待服务器端响应DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(response);// 5. 打印响应内容String responseMsg = new String(response.getData(), 0, response.getLength());System.out.println(responseMsg);System.out.print("->");}}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpClient udpClient = new UdpClient("127.0.0.1", 9090);udpClient.start();}
}
运行效果：
客户端：
服务器端：
2.2.3 流程分析
我们以客户端输入"hello"为例分析客户端和服务器端各自的执行流程
- 服务器端执行
socket.receive(request);进入阻塞状态，等待客户端的请求 - 客户端执行
while(scanner.hasNext()) {...}阻塞等待用户键盘输入 - 客户端用户在键盘敲下"hello"，客户端停止阻塞，执行以下代码
String input = scanner.next();
// 2. 将用户输入内容构造成数据报
DatagramPacket request = new DatagramPacket(input.getBytes(), input.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIP), serverPort);
// 3. 向服务器端发送数据报
socket.send(request);
// 4. 阻塞等待服务器端响应
DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
socket.receive(response);
将用户输入内容构造成DatagramPacket对象，然后执行socket.send(request)向服务器发送请求。然后执行socket.receive(response);进入阻塞状态，等待服务器响应
- 服务器端停止阻塞，开始执行以下代码
// 3. 获得请求后进行处理
String responseMsg = process(request);
// 4. 将响应回传客户端
DatagramPacket response = new DatagramPacket(responseMsg.getBytes(), responseMsg.getBytes().length, request.getSocketAddress());
socket.send(response);
服务器获得请求数据报后开始解析，然后构建响应数据报返回给客户端，即调用socket.send(response);，向客户端发送数据报socket.send(response);，之后再次执行while循环执行socket.receive(request);，阻塞等待下一次的客户端请求
- 客户端接收到服务器端响应，停止阻塞，执行以下代码
// 5. 打印响应内容
String responseMsg = new String(response.getData(), 0, response.getLength());
System.out.println(responseMsg);
System.out.print("->");
将响应内容显示在屏幕上后，继续执行while(scanner.hasNext()) {...}进入阻塞等待下一次用户输入，由此进入闭环。
总结：无论是客户端还是服务器端，都需要各自执行通过套接字发送请求、接收响应的过程即客户端调用一次send、一次receive方法，服务器端调用一次send、一次receive方法。而且send方法中的参数一定是载有实际发送内容的字节数组，而receive方法参数所需的DatagramPacket对象内部则为空的字节数据，是需要被响应内容所填充的 输出型参数。
完整流程图：
