[网络编程】网络编程的基础使用

系列文章目录

1、 初识网络

前言

在学习完基础的网络知识后，完成跨主机通信的网络编程。

一、TCP和UDP协议的引入

注意：TCP协议并非TCP/IP模型。
TCP和UDP都属于传输层协议中的一种，为应用层提供服务。但是二者之间的特点和差异都很大，因此有了两套API分别应用于二者。
特点：
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

其中有连接的意思是如同打电话一样，在电话接通以后才能相互通信；无连接就像发送短信，不需要“先接通”，允许直接发送。
可靠传输的意思是将要传输的数据尽可能传输给对方，不可靠传输的意思是在数据传输时不关心对方是否收到信息。
面向字节流，和文件操作中的字节流类似，读写操作十分灵活。
面向数据报：在UDP协议中，传输数据的基本单位时一个个UDP数据报，一次读写只能读写一个完整的UDP数据报。
全双工：在一条链路中能够进行双向通信；半双工：一条链路中只能进行单向通信。

二、UDP网络编程

1.Java中的UDP

在Java中，引入系统的API(称为Socket API)并进行封装，在Java中主要有两个类：DatagramSocket和DatagramPacket。
1）DatagramSocket：socke可以理解为是一种文件，socket文件可以视为对网卡的硬件设备进行的抽象化。在UDP中对于操作系统中socket概念的封装，针对该对象进行读写操作，也可以理解为对网卡硬件设备的操作。
2）DatagramPacket: 针对UDP数据报的一个抽象表示，一个DatagramPacket对象，就相当于一个UDP数据报。一次发送/接收就相当于传输了一个DatagramPacket对象。

2.UDP回显代码案例

所谓回显代码，即客户端请求什么内容，服务器就返回什么代码。回显代码中没有实现复杂的逻辑，能够最简单的反映UDP的服务器和客户端之间的互动情况。

1. UDPEchoServer:在Server端，端口号是固定的，DaragramSocket 在构造方法中传入端口号。在服务器启动之后需要不断接收请求和返回请求值。
   在DatagramSocket中的receive方法负责接收客户端发送过来的请求， 将接收到的数据转换成字符串request，作为后面处理请求的参数。通过方法process运行之后返回的结果需要数据报进行封装，因此在结果返回之后，新建一个数据报对象并将字符串结果转换成字节流。通过socket.send方法发送。

public class UdpEchoServer {DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while (true) {DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(requestPacket);String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());String response = this.process(request);DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),0,response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);System.out.printf("[%s:%d] req = %s,res = %s \n",requestPacket.getAddress(),requestPacket.getPort(),request,response);}}private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

2. UDPEchoClient:在客户端，用户发起请求并接收返回的结果。对服务器发送的信息应该包括用户IP地址、用户端口号的信息。通过DatagramSocket类中的send方法发送请求。
   在start()方法中，新建字符串request来保存用户所发送的请求，由于网卡的的性质需要发送数据报格式。为了解决这个问题，我们需要new一个数据报requestPacket对请求内容进行封装。同时我们需要把字符串的数据转换成字节流的数据。
   INetAddress中的getByName方法中存储着服务器的IP地址以及服务器的端口号。
   在发送请求之后等待数据接收状态下，receive()方法进入阻塞状态。
   在接收到数据之后，将字节流数据转换成字符串的形式，用response接收。

public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {this.socket = new DatagramSocket();this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;}public void start() throws IOException {System.out.println("客户端启动");Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.println("请输入要发送的请求：");String request = scanner.next();DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),0,request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);socket.send(requestPacket);DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(responsePacket);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();}
}

最终，我们成功完成了UDP中基础的数据请求与通信。

3.UDP网络编程的注意事项

1. 在上面的UDP编程中，主要可以分为以下几个步骤（如下图所示）
   
2. 进程的运行顺序是先启动服务器，再启动客户端。
3. 在代码编写过程中，都没有涉及到close操作的原因：DatagreamSocket作为这个进程的对象和服务器程序的生命周期是一样的。如果在某个程序中，socket对象的生命周期和进程不一样，需要提前释放的话就需要进行close操作。

三、TCP网络编程

在TCP中的socket api中与UDP不同的是，在TCP中ServerSocket类是专门给服务器使用的。 Socket类是专门作用于客户端和服务器之间进行通信使用的。
由于TCP属于有连接和可靠传输，他们之间必须时刻保持通信状态。在ServerSocket中有accept方法接收客户端发来的请求。

1.TCP回显代码案例

我们知道TCP是面向字节流的，因此在TCP中的操作是以流对象进行操作的。

1. 在Socket类中，通过两个方法：getInputStream和getOutpurStream 进行操作的。
2. 在服务器中，start方法中通过accept同意客户端连接。接下来调用processConnection
3. 使用Scanner读取InputStream流中的数据内容。
4. 使用Scanner的好处是对于客户端传输进来的字节流，Scanner会自动将这些数据转换成String。
5. 在方法start中，循环保持与客户端之间的通信。通过scanner.hasNext()方法判断是否还有输入，当客户端关闭了连接之后，服务器的输入流会收到一个EOF信号，从而判断出没有输入了，最终结束循环。
6. 将回显的结果以response的结果以二进制的形式写入outputStream中。
7. 最后，处理完client的请求之后，客户端下线之后，回收client对象，当下次重新有新的客户端时重新启用。

public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动！");//accept可以阻塞等待Socket socketClient = serverSocket.accept();processConnection(socketClient);}private void processConnection(Socket socketClient) throws IOException {System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线\n", socketClient.getInetAddress(),socketClient.getPort());try(InputStream inputStream = socketClient.getInputStream();OutputStream outputStream = socketClient.getOutputStream()) {Scanner scanner = new Scanner(inputStream);while (true) {if (!scanner.hasNext()) {System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n", socketClient.getInetAddress(),socketClient.getPort());break;}//接收客户端发送过来的请求String request = scanner.next();//处理请求String response = process(request);//把响应写回客户端outputStream.write(response.getBytes(),0,response.getBytes().length);//服务器打印日志System.out.printf("[%s:%d] req = %s resp = %s",socketClient.getInetAddress(),socketClient.getPort(),request,response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}finally {socketClient.close();}}

在客户端方面，通过scannerNetWork读取inputStream中的数据。将请求的内容以二进制的形式写入outputStream中。当服务器关闭后，scannerNetWork传入服务器的EOF信号，代表着双方连接中断，因此可以退出循环结束进程。

public void start() {System.out.println("客户端启动！");Scanner scanner = new Scanner(System.in);try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {Scanner scannerNetWork = new Scanner(inputStream);while (true) {System.out.println("输入要发送的数据");//1.读取数据String request = scanner.next();//2.将request作为请求发送到服务器中，通过\n标识请求内容request += "\n";outputStream.write(request.getBytes());//3.读取服务器返回的响应if (!scannerNetWork.hasNext()){break;}String response = scannerNetWork.next();System.out.println(response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}

2.TCP多线程使用

在上面的TCP回显代码中，并不能使用于多线程的形势下。在服务器中，应当有线程池之类的多线程状态中，同时处理多个客户端发送过来的请求。
因此需要对服务器实现多线程解决问题。通过线程池的方式，while循环中不断接收客户端发来的连接请求，并将任务交予线程池解决。

public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动！");ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();//accept可以阻塞等待while (true) {Socket socketClient = serverSocket.accept();pool.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try{processConnection(socketClient);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}});}}

总结

在本文中主要讲解了TCP和UDP两个协议之间的区别；同时对UDP网络编程进行了最基础的创建。
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