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网络编程

news 2025/10/12 13:47:05

目录

TCP 和 UDP 的特点

有连接 vs 无连接

可靠传输 vs 不可靠传输

面向字节流 vs 面向数据报

全双工 vs 半双工

Socket 套接字

流套接字

数据报套接字

原始套接字

UDP 数据报套接字编程

DatagramSocket

DatagramPacket

实现简易回显服务器

TCP流套接字编程

ServerSocket

Socket

实现简易回显服务器

TCP 和 UDP 的特点

传输层两个核心协议的特点：

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

有连接 vs 无连接

抽象的概念，是虚拟的/逻辑上的连接

TCP协议中保存了对端的信息，就是有连接。A 和 B 通信，A 和 B 先建立连接，让 A 保存 B 的信息，B 保存 A 的信息（彼此之间知道，谁是和他建立连接的那个)

对于UDP来说，UDP协议本身不保存对方的信息，就是无连接

可靠传输 vs 不可靠传输

网络上，由于光信号/电信号都可能受到外界的干扰，导致数据非常容易出现丢失的情况（丢包）。比如说，本来是传输0101，其中有些 bit 位被修改了，这样的数据就会被识别出来，并且把它给丢弃掉，这就是丢包

可靠传输：尽可能的提高传输成功的概率，而不是保证数据包100%到达。如果出现丢包了，能够感知到

TCP是可靠传输，内部的机制会对丢包的情况进行处理

不可靠传输：把数据传输出去就不管了

直观感觉可靠传输更好，但可靠传输也是要付出代价的，效率不如不可靠传输

面向字节流 vs 面向数据报

面向字节流，读写数据的时候，是以字节为单位

TCP中读写数据完全按照字节流向的方式，可以任意的读取或者是写若干个字节都很灵活

优点是支持任意长度，但是会有粘包问题

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)

UDP一次必须读写一个UDP数据报，不能是半个

不存在粘包，但是会有长度限制

全双工 vs 半双工

全双工：一个通信链路，支持双向通信（能读，也能写）

半双工：一个通信链路，只支持单向通信（要么读，要么写)

Socket 套接字

Socket 套接字（套接字就是 API），是由操作系统提供用于网络通信的 API，是基于TCP/IP协议实现的，主要作用于传输层，因此程序员只需制定好应用层的协议，再调用此 API，即可实现网络通信。基于 Socket 套接字的网络程序开发就是网络编程。

socket：插座，插槽（主板上的一些接口）

Socket 套接字 / Socket api：是操作系统提供的一组 api，是传输层给应用层提供的

TCP 和 UDP 的差别非常大，编写代码的时候，也是不同的风格。因此，提供了几套不同的 socket api；Socket 套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：

流套接字

使用传输层 TCP 协议

TCP：即 Transmission Control Protocol（传输控制协议），传输层协议

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），传输层协议

原始套接字

原始套接字用于自定义传输层协议，用于读写内核没有处理的 IP 协议数据（了解）

UDP 数据报套接字编程

DatagramSocket

是 UDP 的 Socket，用于发送和接收 UDP 数据报，通过不同的构造方法，可以指定作为客户端还是服务端，客户端一般不需要指定端口号，由操作系统分配，而服务端的端口号则需程序员指定，固定的端口号可以更方便地为客户端服务

1. 计算机中的 “文件" 通常是一个 “广义的概念”。文件也能代指一些硬件设备（操作系统管理硬件设备，也是抽象成文件统一管理的）

2. 网卡在系统中就被抽象成了 socket 文件，操作网卡的流程和操作普通文件差不多，都是打开  -> 读写 -> 关闭；打开文件时，也会在文件描述符表中分配一个表项

3. 网卡直接操作不好操作，所以把操作网卡转换成操作 socket 文件，socket 文件相当于 "网卡的遥控器"

4. DatagramSocket 就是用来表示网卡的文件，通过它来操作网卡

构造方法：可以通过构造方法打开文件

方法签名方法说明
DatagramSocket()创建一个UDP数据报套接字的 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数据报套接字的 Socket，绑定到本机指定的端口（一般用于服务端）；port：端口号

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

receive(DatagramPacket p)：输出型参数，把参数作为 “输出的结果”

调用之前，先构造一个空的对象（不是null)，把对象传递到 receive 里，receive 就会把数据从网卡读出来，填充到参数中

DatagramPacket

用于封装一个完整的 UDP 数据报

Java 中使用 UDP 协议通信，主要基于 DatagramSocket 类来创建数据报套接字，并使用DatagramPacket 作为发送或接收的 UDP 数据报

构造方法：可以通过构造方法来指定 UDP 数据包的载荷数据

方法签名方法说明
DatagramPacket(byte[] buf, int length)构造一个 DatagramPacket 以用来接收数据报，接收的数据保存在字节数组（第一个参数 buf）中，接收指定长度（第二个参数 length）
DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, SocketAddress address)构造一个 DatagramPacket 以用来发送数据报，发送的数据为字节数组（第一个参数 buf）中，从指定偏移量 offset 开始，长度为 length 的数据，address 指定目的主机的 IP 和端口号

方法：

方法签名方法说明
InetAddress getAddress()从接收的数据报中，获取发送端主机IP地址；或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址
int getPort()从接收的数据报中，获取发送端主机的端口号；或从发送的数据报中，获取接收端主机端口号
byte[] getData()获取数据报中的数据

实现简易回显服务器

实现一个简易回显服务器，将客户端发送的数据原样返回

// 服务器
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.// private 方法不能被重写. 想要被重写需要把 private 改成 publicpublic String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

说明：

1. Echo：回声；EchoServer（回显服务器）：将客户端发送的数据原样返回

2. 对于服务器来说，客户端什么时候发请求，发多少个请求，无法预测。因此服务器中通常都需要有一个死循环，持续不断的尝试读取客户端的请求数据（7*24小时运行）

3. RequestPacket 虽然表示 UDP 数据包，但它不只包含源端囗/目的端囗，也包含了源IP/目的 IP，其中目的端囗和目的 IP 都是客户端发送过来的

4. 通过 requestPacket.getData() 拿到 DatagramPacket 中的字节数组，getLength() 拿到有效数据的长度

5. response.getBytes()：拿到字符串中的字节数组

response.getBytes().length：拿到字节数组的长度，这里不能使用字符串长度(单位是字符）

requestPacket.getSocketAddress()：这个方法返回的对象中同时包含IP和端口，可以拿到客户端的IP和端口号

6. 这里 new DatagramPacket 是要构造响应数据报

7. 这里的 socket 不用 close。文件是否要关闭，要考虑清楚这个文件对象的生命周期是怎样的，此处的 socket 对象，伴随整个udp 服务器自始至终，如果服务器关闭（进程结束)，进程结束时就会自动释放 PCB 的文件描述符表中的所有资源，所以就不需要手动调用 close 了

8. 在客户端发送请求过来之前，服务器里面的逻辑都在干啥呢？

receive 会触发阻塞行为。客户端请求发来了，receive 才会返回，客户端的请求没来，receive 就一直阻塞了

// 客户端
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();}
}

说明：

1. DatagramSocket构造方法必须要使用无参数版本的。因为如果客户端是固定端口，很可能客户端运行的时候这个端口被别的程序占用，就会使当前程序运行失败

2. serverlp 是按字符串的方式构造的，例如192.168.100.152 这种形式的字符串。RequestPacket 没有参数是字符串（目的IP）的构造方法，所以需要用 InetAddress.getByName 方法进行转化

3. 在构造 client 对象时，需要指定服务器的 IP 和端口。127.0.0.1 是特殊的 IP，称为环回 IP，表示当前这个主机。无论主机的真实 IP 是啥，都可以使用 127.0.0.1 代替（类似于 this）。由于此时，客户端和服务器在同一个主机上，就可以使用 127.0.0.1 来访问，如果是不同主机，就需要填写其他的 IP 了

Socket编程注意事项：

1. 客户端和服务端：开发时，经常是基于一个主机开启两个进程作为客户端和服务端，但真实的场景，一般都是不同主机。

2. 注意目的IP和目的端口号，标识了一次数据传输时要发送数据的终点主机和进程

3. Socket 编程我们是使用流套接字和数据报套接字，基于传输层的TCP或UDP协议，但应用层协议，也需要考虑，这块我们在后续来说明如何设计应用层协议。

4. 关于端口被占用的问题

5. 如果一个进程A已经绑定了一个端口，再启动一个进程B绑定该端口，就会报错，这种情况也叫端口被占用。

基于上述回显服务器实现翻译服务器（中译英）

public class UdpDictServer extends UdpEchoServer {private HashMap<String, String> dict = new HashMap<>();public UdpDictServer(int port) throws SocketException {super(port);// 初始化词典dict.put("小猫", "cat");dict.put("小狗", "dog");dict.put("小兔子", "rabbit");dict.put("小鸭子", "duck");}@Overridepublic String process(String request) {// 查字典.return dict.getOrDefault(request, "未找到该词条");}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpDictServer server = new UdpDictServer(9090);server.start();}
}

TCP流套接字编程

ServerSocket

是创建TCP服务端Socket的API（专门给服务器用的）

构造方法：

方法签名方法说明
ServerSocket(int port)创建一个服务端流套接字Socket，并绑定到指定端口

方法：

方法签名方法说明
Socket accept()开始监听指定端口（创建时绑定的端口），有客户端连接后，返回一个服务端Socket对象，并基于该Socket建立与客户端的连接，否则阻塞等待
void close()关闭此套接字

Socket

是客户端Socket，或服务端中接收到客户端建立连接（accept方法）的请求后，返回的服务端Socket（服务器和客户端都会用）

构造方法：

方法签名

方法说明
Socket(String host, int port)创建一个客户端流套接字Socket，并与对应IP的主机上，对应端口的进程建立连接（两个参数是服务器的IP和服务器的端囗）

方法：

方法签名方法说明
InetAddress getInetAddress()返回套接字所连接的地址
InputStream getInputStream()返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()返回此套接字的输出流

实现简易回显服务器

public class TcpEchoServer {private ServerSocket serverSocket = null;// 这里和 UDP 服务器类似, 也是在构造对象的时候, 绑定端口号.public TcpEchoServer(int port) throws IOException {serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("启动服务器");// 这种情况一般不会使用 fixedThreadPool, 意味着同时处理的客户端连接数目就固定了.ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();while (true) {// tcp 来说, 需要先处理客户端发来的连接.// 通过读写 clientSocket, 和客户端进行通信.// 如果没有客户端发起连接, 此时 accept 就会阻塞.// 主线程负责进行 accept, 每次 accept 到一个客户端, 就创建一个线程, 由新线程负责处理客户端的请求.Socket clientSocket = serverSocket.accept();// 使用多线程的方式来调整
//            Thread t = new Thread(() -> {
//                processConnection(clientSocket);
//            });
//            t.start();// 使用线程池来调整executorService.submit(() -> {processConnection(clientSocket);});}}// 处理一个客户端的连接.// 可能要涉及到多个客户端的请求和响应.private void processConnection(Socket clientSocket) {System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {// 针对 InputStream 套了一层Scanner scanner = new Scanner(inputStream);// 针对 OutputStream 套了一层PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);// 分成三个步骤while (true) {// 1. 读取请求并解析. 可以直接 read, 也可以借助 Scanner 来辅助完成.if (!scanner.hasNext()) {// 连接断开了System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort());break;}String request = scanner.next();// 2. 根据请求计算响应String response = process(request);// 3. 返回响应到客户端// outputStream.write(response.getBytes());writer.println(response);writer.flush();// 打印日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", clientSocket.getInetAddress(), clientSocket.getPort(),request, response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {try {clientSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9090);server.start();}
}
public class TcpEchoClient {private Socket socket = null;public TcpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {// 可以直接把字符串的 IP 地址, 设置进来，比 UDP 的写法更方法// 127.0.0.1 这种字符串socket = new Socket(serverIp, serverPort);}public void start() {Scanner scanner = new Scanner(System.in);try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {// 为了使用方便, 套壳操作Scanner scannerNet = new Scanner(inputStream);PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);// 从控制台读取请求, 发送给服务器.while (true) {// 1. 从控制台读取用户输入String request = scanner.next();// 2. 发送给服务器writer.println(request);//    加上刷新缓冲区操作, 才是真正发送数据writer.flush();// 3. 读取服务器返回的响应.String response = scannerNet.next();// 4. 打印到控制台System.out.println(response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}

说明：

1. Scanner 不仅可以处理控制台上的输入，也可以处理文件的输入，还能控制网络的输入。Scanner 构造方法，填入的其实是一个 InputStream 对象

底层：

2. 创建 socket 对象就会在底层和对端建立 tcp 的连接（记录对端的信息），服务器的 ip 和端口不需要自己创建变量保存了，直接 tcp 内部就记住了

3. 服务器和客户端的 socket 对象，绝对不是同一个对象（分别在不同进程中，甚至在不同主机上)。但是二者存在密切的关联，可以理解成两部手机进行通话

4. 这个操作只是把数据放到 “发送缓冲区” （内存空间）中，还没有真正写入到网卡里，加上刷新缓冲区操作, 才是真正发送数据。这是 PrintWriter 的行为，如果不套壳，是可以直接发送的。但是实际开发中会广泛使用缓冲区，所以 flush 这个操作是很关键的

5. 上图的 println 约定了，一个请求/响应使用 \n 作为结束标记，对端读的时候，也是读到 \n就结束（认为是读到一个完整的请求了）

6. 每个客户端连接，都会创建一个新的 clientSocket，每个客户端断开连接，这个对象也就可以不要了，所以需要手动释放

7. TCP服务器使用多线程的原因：单线程服务器在处理客户端请求时，需按顺序依次完成当前连接的服务后才响应新连接，导致后续客户端长时间等待。多线程模式可为每个连接独立创建线程，实现并行处理多个客户端请求，显著提高服务器吞吐量

http://www.dtcms.com/a/471267.html

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