【JavaSE】【网络编程】UDP数据报套接字编程

一、网络编程简介

网络编程：

网络编程，指网络上的主机，通过不同的进程，以编程的方式实现网络通信（或称为网络数据传输）。

网络编程涉及基本概念：

一次网络数据传输时：
发送端：数据的发送方进程，称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机。
接收端：数据的接收方进程，称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机。
收发端：发送端和接收端两端，也简称为收发端。

请求和响应 :
一般来说，获取一个网络资源，涉及到两次网络数据传输：
第一次：请求数据的发送。
第二次：响应数据的发送。

客户端和服务端
服务端：在常见的网络数据传输场景下，把提供服务的一方进程，称为服务端，可以提供对外服务。
客户端：获取服务的一方进程，称为客户端。

二、Socket套接字

Socket套接字：Socket套接字，是由系统提供用于网络通信的技术，是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。

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。
数据报套接字：使用传输层UDP协议。
原始套接字：用于自定义传输层协议。

三、TCP/UDP简介

socket api ：传输层提供给应用层的API。
传输层的两个核心协议是：TCP与UDP协议。

TCP协议：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工的协议。
UDP协议：无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工的协议。

3.1 有连接 vs 无连接

有/无连接：是一个抽象的概念，虚拟的逻辑上的连接。就像前面的链表的学习一样，物理上不连续，但通过节点之间的关联使其逻辑上连续。

TCP协议中：保存了对端的信息，让两个通信之间的设备有连接。就如AB通信，A保存B信息，B保存A信息。

UDP协议中：UDP本身不保存对端信息，但可以自己使用代码保存。

3.2 可靠传输 vs 不可靠传输

丢包：网络上数据发生丢失的情况就是丢包。

传输中丢包情况造成原因：

当光/电/电磁信号，受到外界的干扰。
网络世界是通过交换机，路由器组建起来的。而交换机，路由器就像十字路口一样，当某个时间点，实际转发的数据超过设备能转发的上限的时候，就会“堵车”，造成丢包。

可靠传输：不是保证数据报100%到达，不造成一点丢失。而是尽可能提高传输成功的概率，如果丢包还会进行记录。

不可靠传输：在发出数据后就不管了。

3.3 面向字节流 vs 面向数据报

面向数据流：读写数据（读–>接收数据，写–> 发送数据）的时候，以字节为单位。支持读写任意长度，有粘包问题。
面向数据报：读写数据（读–>接收数据，写–> 发送数据）的时候，以一个数据报为单位。有长度限制。

3.4 双向工 vs 单行工

全双工：读写数据（读–>接收数据，写–> 发送数据），支持双向通信，能读能写。
单双工：面向数据流：读写数据（读–>接收数据，写–> 发送数据），只支持单向通信，要么读要么写。

四、UDP数据报套接字编程

计算机中的文件通常是一个广义的概念，文件除了指代一些我们常说的文件外，还能指代一些硬件设备。操作系统管理硬件设备也是抽象成文件。

4.1 API介绍

4.1.1 DatagramSocket类

DatagramSocket 是UDP Socket，⽤于发送和接收UDP数据报。

4.1.1.1 构造方法

方法签名	方法说明
public DatagramSocket() throws SocketException	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（⼀般⽤于客⼾端）
public DatagramSocket(int port) throws SocketException	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）
public DatagramSocket(int port, InetAddress laddr) throws SocketException	创建⼀个UDP数据报套接字的Socket，绑定到指定的IP即laddr和端⼝port
public DatagramSocket(SocketAddress bindaddr) throws SocketException	创建⼀个UDP数据报套接字的Socket，绑定到bindaddr指定的IP和端⼝

4.1.1.2 主要方法

方法签名	作用
public void send(DatagramPacket p) throws IOException	从此套接字发送数据报包（不会阻塞等待，直接发送）
public synchronized void receive(DatagramPacket p) throws IOException	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）
public void close()	关闭此数据报套接字

4.1.2 DatagramPocket类

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报。

4.1.2.1 构造方法

方法签名	作用
public 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，接收指定⻓度（第⼆个参数length）
public DatagramPacket(byte buf[ ], int offset, 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，接收指定⻓度（第⼆个参数length）从buf的下标offset位置开始接收
public 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offset到指定⻓度（第⼆个参数length）。address指定⽬的主机的IP和端⼝号
public DatagramPacket(byte buf[ ], int offset, int length, InetAddress address, int port)	构造⼀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0到指定⻓度（第⼆个参数length）。address指定⽬的主机的IP，port指定⽬的主机的端⼝号
public DatagramPacket(byte buf[ ], 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0到指定⻓度（第⼆个参数length）。address指定⽬的主机的IP和端⼝号
public DatagramPacket(byte buf[ ], int length, InetAddress address, int port)	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，接收指定⻓度（第⼆个参数length）address指定⽬的主机的IP，port指定⽬的主机的端⼝号

4.1.2.2 主要方法

方法签名	作用
public synchronized byte[ ] getData()	获取数据报中的数据
public synchronized 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
public synchronized 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

4.1.3 使用上述类创建回显服务器-客户端

回显：请求是啥，相应就是啥。

4.1.3.1 回显服务器UdpEchoServer

先创建一个成员变量：Socket对象，用于接收发送数据报。private DatagramSocket socket = null;
构造方法，指定一个固定端口号给服务器使用，将Socket使用这个端口号实例化。

public UdpEchoServer(int port) throws SocketException{
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

接下来在start方法中编写服务器实现逻辑。由于服务器是要7*24小时工作的，所以在一个死循环中实现。
读取请求并解析；
4.1 构造一个DatagramPocket对象，初始化为0（不是null），用于保存UDP的载荷部分。
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[2024],2024);
4.2 读取请求socket.receive(requestPacket);
4.3 把读取到有效数据的解析为字符串。
通过getData方法获取DatagramPacket 中的字节数组，getLength方法获取DatagramPacket 有效数据长度，根据字节数组构造字符串。
String request = new String(requestPacket.getData(), 0 ,requestPacket.getLength());
根据请求计算响应，由于是回显服务器，直接请求就是响应。

String response = product(request);

private String product(String request) {
        return request;
    }

把响应返回给客户端，通过getBytes方法拿到字符串中的字节数据，getBytes().length拿到字节长度，getSocketAddress方法拿到客户端的端口和IP。

socket.send(new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
requestPacket.getSocketAddress()));

打印一个日志记录此次交互过程。

System.out.printf([%s:%d],request:%s,response:%s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),request,response);

总代码

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;
public class UdpEchoServer {
    //先创建一个成员变量：Socket对象，用于接收发送数据报
    private DatagramSocket socket = null;

    //构造方法，指定一个固定端口号给服务器使用，将Socket使用这个端口号实例化
    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException{
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        while (true) {
            //构造一个DatagramPocket对象，初始化为0（不是null），用于保存UDP的载荷部分。
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[2024], 2024);
            //接收请求
            socket.receive(requestPacket);
            //把读取到有效数据的解析为字符串
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());

            //计算响应
            String response = product(request);
            //把响应返回给客户端
            socket.send(new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress()));
            //打印一个日志
            System.out.printf("[%s : %d], request:%s , response:%s\n",requestPacket.getAddress().toString(),
                    requestPacket.getPort(),request,response);
        }
    }

    private String product(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(6666);
        server.start();
    }
}

4.1.3.2 回显客户端UdpEchoClient

先创建一个成员变量：Socket对象，用于接收发送数据报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 port;

构造方法是要指定访问的服务器的地址。

public UdpEchoClient(String serverIp,int port) throws SocketException {
        this.serverIp = serverIp;
        this.port = port;
        socket = new DatagramSocket();
    }

从控制台读取用户输入的内容。

			System.out.println("请输入要传输的内容");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            if (!scanner.hasNext()) {
                    break;
            }
            String request =scanner.next();

发送数据报，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。

socket.send(new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIp),port));

接收服务器的响应

DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[2024],2024);
socket.receive(responsePacket);

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.getData().length);
            System.out.println(response);

总代码

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

public class UdpEchoClient {
    //先创建一个成员变量：Socket对象，用于接收发送数据报
    private DatagramSocket socket = null;
    // UDP 本身不保存对端的信息, 自己的代码中保存一下
    private String serverIp;
    private int port;
    public UdpEchoClient(String serverIp,int port) throws SocketException {
        this.serverIp = serverIp;
        this.port = port;
        socket = new DatagramSocket();
    }
    public void start() throws IOException {
        while (true) {
            // 1. 从控制台读取用户输入的内容.
            System.out.println("请输入要传输的内容");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            if (!scanner.hasNext()) {
                    break;
            }
            String request =scanner.next();

            //  发送数据报.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。
            socket.send(new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIp),port));
            //接收服务器的响应
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[2024],2024);
            socket.receive(responsePacket);

            //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.getData().length);
            System.out.println(response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1",6666);
        client.start();
    }
}