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【网络】UDP回显服务器和客户端的构造，以及连接流程

news 来源：原创 2024/9/20 10:54:19

文章目录

  • 回显服务器（Echo Server）
    • 0. 构造方法
    • 1. 接收请求
    • 2. 根据请求计算响应
    • 3. 将响应写回客户端
    • 4. 完整代码
  • 客户端（Echo Client）
    • 0. 构造方法
    • 1. 读取输入
    • 2. 构造一个 UDP 请求
    • 3. 从服务器读取响应
    • 4. 完整代码
  • 服务器与客户端连接
    • 完整流程

回显服务器（Echo Server）

最简单的客户端服务器程序，不涉及到业务流程，只是对与 API 的用法做演示

客户端发送什么样的请求，服务器就返回什么样的响应，没有任何业务逻辑，没有进行任何计算或者处理

0. 构造方法

  • 网络编程必须要使用网卡，就需要用到 Socket 对象
    • 创建一个 DatagramSocket 对象，之后在基于这个对象进行操作
import java.net.DatagramSocket;  
import java.net.SocketException;  public class UdpEchoServer {  private DatagramSocket socket = null;  public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {  //SocketException 异常是 IOException 的子类socket = new DatagramSocket(port);  }
}
  • 对于服务器这一端来说，需要在 socket 对象创建的时候，就指定一个端口号 port，作为构造方法的参数
  • 后续服务器开始运行之后，操作系统就会把端口号和该进程关联起来
  • 端口号的作用就是来区分进程的，一台主机上可能有很多个进程很多个程序，都要去操作网络。当我们收到数据的时候，哪个进程来处理，就需要通过端口号去区分
    • 所以就需要在程序一启动的时候，就把这个程序关联哪个端口指明清楚
  • 在调用这个构造方法的过程中，JVM 就会调用系统的 Socket API，完成“端口号-进程”之间的关联动作
    • 这样的操作也叫“绑定端口号”（系统原生 API 名字就叫 bind）
    • 绑定好了端口号之后，就明确了端口号和进程之间的关联关系
  • 对于一个系统来说，同一时刻，一个端口号只能被一个进程绑定；但是一个进程可以绑定多个端口号（通过创建多个 Socket 对象来完成）
    • 因为端口号是用来区分进程，收到数据之后，明确说这个数据要给谁，如果一个端口号对应到多个进程，那么就难以起到区分的效果
    • 如果有多个进程，尝试绑定一个端口号，只有一个能绑定成功，后来的都会绑定失败
  • 前面说到，这里的 socket 对象也占用一个文件描述符表里面的资源，但在这个程序中却不需要进行文件关闭的操作
    • 因为此处代码中，socket 的生命周期是跟随整个进程的，当进程结束了，socket 才需要关闭
    • 此时，就算代码中没有 close，进程关闭，也就会释放文件描述附表里的所有内容，也就相当于 close 了

1. 接收请求

  • 通过 start 来启动服务器的核心流程
  • 对于服务器来说，主要的工作，就是不停地处理客户端发来的请求，因为客户端什么时候会发来请求是未知的，所以要时刻待命
public void start() {  System.out.println("服务器启动！");  //通过一个死循环来不停地处理请求  while(true) {  //1. 读取客户端的请求并解析socket.receive();  }
}
  • 对 7*24 小时工作的服务器来说，服务器里面有死循环是很正常的，不是说死循环就是代码 bug
  1. 读取客户端的请求并解析
    • receive 是从网卡上读取数据，但是调用 receive 的时候，网卡上不一定就有数据
    • 当调用 start 方法之后程序启动，就立刻调用了 receive，一调用 receive，就会立刻从网卡中读取数据，但这个时候客户端可能还没来，网卡中还没有数据
    • 如果网卡上收到数据了，receive 立刻返回，获取收到的数据；如果没有收到数据，receive 就会阻塞等待，直到真正收到数据为止
    • 此处 receive 也是通过“输出型参数”获取到网卡上收到的数据的
  • receive 的参数是 DatagramPacket
    • 我们就需要构造一个空的 DatagramPacket 对象，将其作为参数传递给 receive
public void start() throws IOException {  System.out.println("服务器启动！");  //通过一个死循环来不停地处理请求  while(true) {  //1. 读取客户端的请求并解析  DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);  socket.receive(requestPacket);  }
}
  • DatagramPacket 自身需要存储数据，但是数据的空间具体多大，需要外部来定义，自身不负责
  • 需要指定 requestPacket 所需要存储数据/持有数据的基数
    • 指定一个字节数组，和其长度
    • 大小没什么讲究，只要能确保能够存储下你通讯的一个数据包即可
  • 收到的请求数据是通过二进制 byte[] 的形式来体现的，而我们后续要将其进行处理，最好将它转成字符串才好处理
public void start() throws IOException {  System.out.println("服务器启动！");  //通过一个死循环来不停地处理请求  while(true) {  //1. 读取客户端的请求并解析  DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);  socket.receive(requestPacket);  //将收到的二进制 byte[] 数据转换成字符串  String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());  }
}
  • 构造 String 可以基于字节数组构造，也可以基于字符数组进行构造
    • 此处 DatagramPacket 里面持有的就是字节数组，我们就取出里面包含的字节数
    • 此处就指定了：是哪个字节数组、从哪开始构造、构造多长

2. 根据请求计算响应

  • 请求（request）：客户端主动给服务器发起的数据
  • 响应（response）：服务器给客户端返回的数据

此处是一个回显服务器，响应就是请求

public void start() throws IOException {  System.out.println("服务器启动！");  //通过一个死循环来不停地处理请求  while(true) {  //1. 读取客户端的请求并解析  DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);  socket.receive(requestPacket);  //将收到的二进制 byte[] 数据转换成字符串  String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());  //2. 根据请求计算响应  String response = process(request);  }
}  //请求是什么，响应就是什么  
private String process(String request) {  return request;  
}

3. 将响应写回客户端

此时需要主动的将数据通过网卡发送回客户端

  • 与 receive 相似， send 的参数是 DatagramPacket
    • 我们就需要构造一个 DatagramPacket 对象，将其作为参数传递给 send
    • 但此时不能使用空的数组来构造 DatagramPacket 对象
    • 需要使用刚刚的 response 数据进行构造
public void start() throws IOException {  System.out.println("服务器启动！");  //通过一个死循环来不停地处理请求  while(true) {  //1. 读取客户端的请求并解析  DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);  socket.receive(requestPacket);  //将收到的二进制 byte[] 数据转换成字符串  String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());  //2. 根据请求计算响应  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);  }
}  //请求是什么，响应就是什么  
private String process(String request) {  return request;  
}
  • String 可以基于字节数组来构造，也可以随时取出里面的字节数组
  • response.getBytes().length 不能写成 response.length
    • 前者是在获取字节数组，得到字节数组的长度，单位是“字节”
    • 后者是在获取字符串中字符的个数，单位是“字符”
  • UDP 有一个特点——无连接
    • 所谓的连接，就是通信双方保存对方的信息（IP+端口号）
    • 就是说 DatagramSocket 这个对象中，不持有对方（客户端）和 IP 端口的，进行 send 的时候，就需要在 send 的数据包里，把要“发给谁”这样的信息，写进去，才能够正确的把数据进行返回
    • 所以要将信息也作为参数，传入 responsePacket 中
      • 客户端刚才给服务器发了一个请求 requestPacket，这个包记录了这个数据是从哪来，从哪来就让它回哪去，所以直接获取这个 requestPacket 的信息就可以了
      • 客户端的 IP 和端口就都包含在 requestPacket.getSocketAddress() 中
      • 后续往外发送数据包的时候，就知道该发去哪了 image.png|390
  • 相比之下，TCP 代码中，因为 TCP 是有连接的，则无需关心对端的 IP 和端口，只管发送数据即可
  • 如果字符串里都是英文字母/阿拉伯数字/英文标点符号的话，都是 ASCII 编码的，一个字符也就是一个字节这么长
  • 如果字符串里有中文，是 UTF8 编码的，一个中文就是 3 个字节
  • UTF8 也是能兼容 ASCII，当使用 UTF8 表示英文的时候，和 ASCII 表示英文是完全相同的

4. 完整代码

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);  }  public void start() throws IOException {  System.out.println("服务器启动！");  //通过一个死循环来不停地处理请求  while(true) {  //1. 读取客户端的请求并解析  DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);  socket.receive(requestPacket);  //将收到的二进制 byte[] 数据转换成字符串  String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());  //2. 根据请求计算响应  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, res=%s\n",requestPacket.getAddress(),requestPacket.getPort(),request,response);  }    }  //请求是什么，响应就是什么  private String process(String request) {  return request;  }  public static void main(String[] args) throws IOException {  UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);  server.start();  }public static void main(String[] args) throws IOException {  UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);  server.start();  }
}
  • 将端口号设为“9090”

客户端（Echo Client）

0. 构造方法

import java.net.DatagramSocket;  
import java.net.SocketException;  public class UdpEchoClient {  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;  }
}
  • 服务器那边，创建 socket 的时候一定要指定端口号；
    • 服务器必须是指定了端口号，客户端主动发起的时候，才能找到服务器
  • 客户端这边，创建 socket 的时候最好不要指定端口号
    • 客户端是主动的一方，不需要服务器来找它，所以不需要指定端口号
    • 不代表没有端口号，客户端这边的端口号是系统自动分配了一个端口
  • 还有一个重要的原因，如果在客户端这里指定了端口之后，由于客户端是在用户的电脑上运行的，天知道用户的电脑上都有哪些程序，都已经占用了哪些端口了。万一你的代码指定的端口和用户电脑上运行的其他程序的端口冲突，就出 bug 了
    • 让系统自动分配一个端口，就能确保是分配一个无人使用的空闲端口
  • 创建出对象之后，需要明确好服务器在哪，才能发起请求
    • 所以在构造方法中指定两个参数：String serverIP（服务器 IP）、String serverPort（服务器端口）
    • 并将这两个内容通过成员变量记录下来，之后就可以进一步通过这两个成员指定这个 UDP 数据报具体发给谁

客户端分配端口不可取的原因：

  • 比如你去下馆子，进到店里面之后，老板让你找个地方坐
  • 你找个地方坐，必然是找个“空闲的地方”
  • 并且你这次坐的地方大概率和以前来坐的地方是不同的（可能上次坐的地方有人了）
    你给服务器分配了端口之后，就相当于说是：你每次去吃饭，都被固定坐那个位置，不管有人没人

1. 读取输入

  • 从控制台读取到用户的输入
public void start() {  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.println("-> ");  String request = scanner.next();   }  
}

2. 构造一个 UDP 请求

构造 UDP 请求，并发送给服务器

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.println("-> ");  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.length(),   
InetAddress.getByName(this.serverIP),this.serverPort);  socket.send(requestPacket);}
}
  • 构造 requestPacket 对象的时候，不是拿的空对象进行构造的，要拿 request 里面的 String 数组、数组长度、IP 和端口号进行构造
    • 此处是给服务器发送数据，发送数据的时候，UDP 数据报里就需要带有目标的 IP 和端口号。接受数据的时候，构造的 UDP 数据报就是一个空的数据报
  • 因为计算机需要的 IP 不是字符串的，而我们通过 this.serverIP 提供的是一个字符串 IP，所以我们需要把这个 IP 转换成需要的类型再进行构造
    构造对象时的注意事项：
  1. DatagramPacket 里面构造的字节数组，不能是空的数组，因为我们是要给服务器发东西，里面得有内容（从控制台读取的用户的输入），所以把刚才从控制台读取的 request 里面的字节数组取出来，然后构造到 DatagramPacket 里面
  2. 还需要指定此数据报要发给哪个服务器，需要将这个服务器的 IP 和端口号传进去
    • 这里传入 IP 的时候，需要将 IP 类型转换成计算机需要的格式、

3. 从服务器读取响应

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.println("-> ");  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.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(requestPacket);   }  
}
  • 由于客户端给服务器发送请求之后，响应也不是立刻就会过来的，如果此时立刻去调用客户端， receive 也是可能会发生阻塞的

4. 完整代码

import java.io.IOException;  
import java.net.*;  
import java.util.Scanner;  public class UdpEchoClient {  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.println("-> ");  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.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(requestPacket);  //4. 把响应打印到控制台上  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();  }
}
  • 此处传入的 IP 是一个特殊的 IP——环回 IP，这个 IP 就代表本机，如果客户端和服务器在同一个主机上，就使用这个 IP
  • 将端口号设为“9090”，和上面的服务器一样，将服务器和客户端连接起来

服务器与客户端连接

将服务器和客户端运行起来之后，在客户端输入“hello”的请求之后：

  1. 客户端读取到“hello”，构造出一个 requestPacket 数据报，发送给服务器
  2. 服务器收到之后，就会从 receive 返回结果，再来转成 String 类型的 request
  3. 服务器继续执行 process
  4. 服务器再构造出一个响应数据报 responsePacket
  5. 服务器最后进行返回，并打印日志
  6. 客户端这边就会从 receive 这里读到响应结果 responsePacket
  7. 最后客户端这边进行打印
//客户端
启动客户端！
-> hello
hello//服务器
[/127.0.0.1:65075 req=hello, res=hello
  • 客户端：输入 hello 之后，打印出 hello
  • 服务器：输出 [/127.0.0. 1:65075 req=hello, res=hello
    • 此处的信息就是客户端给服务器发起请求，服务器处理的过程，关键日志
    • 127.0.0.1 是客户端 IP
    • 65075 是客户端的端口号，客户端没有指定端口号，这是系统自动分配的空闲的端口号
    • 请求和响应都是 hello，因为是回显服务器，所以请求和响应是一样的

完整流程

image.png

此处的通信，是本机上的客户端和服务器通信，如果使用两个主机，能够跨主机通信吗？如果我把客户端代码发给你，你能通过你的客户端访问到我的这个服务器吗？

  • 能，也不能
  • 如果我就把服务器代码运行在我自己的电脑上，此时你是无法访问到我这个服务器的，除非你抱着你的电脑来我这，和我连上一样的 WiFi 才能访问（IPv 4 的锅）
  • 如果把我写的服务器代码写到“云服务器”上，此时就是可以的。
    • 云服务器拥有公网 IP，而我自己的电脑没有公网 IP

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