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网络编程（TCP、UDP）

作者：煮酒与君饮 | 2024-06-30 14:09:46

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网络编程

文章目录

一、概念

首先介绍了什么是网络编程，随后介绍了接收端发送端、请求响应等基本知识

1.1 什么是网络编程

网络编程：
（1）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）

（2）在程序员层面上，即要写一个应用程序通过调用传输层提供的API实现网络通信

1.2 网络编程中的基本知识

  1. 发送端和接收端：字面意思，发送端是发送数据的，接收端是接收数据的，注意这个概念只是相对的，主要看数据是从哪发到哪。

  2. 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

  3. 客户端和服务器
    服务端：在常见的网络数据传输场景下，给用户提供服务的一方进程
    客户端：获取服务的一方进程，是指给用户使用的程序

  4. 常见的客户端服务端模型

    • 客户端先发送请求到服务端
    • 服务端根据请求数据，执行相应的业务处理
    • 服务端返回响应：发送业务处理结果
    • 客户端根据响应数据，展示处理结果（展示获取的资源，或提示保存资源的处理结果）

二、Socket套接字

网络编程是基于Socket开发的，传输层上主要涉及TCP、UDP这两种协议，而他俩给出的API都不同，本段主要介绍概念，包括分类和区别。

2.1 概念及分类

（1）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。

（2）Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：

  1. 流套接字：传输层TCP协议（传输控制协议）
  2. 数据报套接字：传输层UDP协议（用户数据报协议）
  3. 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

2.2 TCP VS UDP

TCP：有连接；可靠传输；面向字节流；有接收缓冲区和发送缓冲区；大小不限；全双工
UDP：无连接；不可靠传输；面向数据报；有接收缓冲区，无发送缓冲区；大小受限，一次最多传输64k；单双工

  1. 连接：客户端和服务器之间是否使用内存保存对端信息，互相承认，连接就建立了。
  2. 传输：
    • 可靠传输：A尽可能把消息传过去，传输失败与否都能感知到，会降低传输效率。不可靠传输传输效率更高
    • 注意：这并不意味着，TCP比UDP更安全，因为“网络安全”指的是传输的数据是否容易被黑客截获，以及如果被截获后是否会泄漏一些重要信息
  3. 字节流VS数据报：
    • 面向字节流：TCP流式操作
    • 面向数据报：读写的基本单位是一个UDP数据报，且一次只能传输一个
  4. 全双工VS半双工
    • 全双工：一个通道，可以双向通信。网线就是全双工的
    • 半双工：一个通道，只能单向通信

2.3 通信模型

数据报套接字模型：

在这里插入图片描述
流套接字模型：
在这里插入图片描述

2.4 接口方法

UDP数据报套接字编程

UDP提供的API主要通过两个类来实现，一个是DatagramSocket，一个是DatagramPacket。

DatagramSocket 方法：代表一个Socket对象，即一个网卡的文件
DatagramPacket 方法：代表一个UDP数据报

TCP流套接字编程

因为TCP是字节流式传输，所以不需要一个专门的类来表示TCP数据报

ServerSocket 方法：
（1）给服务器使用的
（2）负责拉客，在外场广撒网。

Socket 方法：
（1）服务端和客户端都能用
（2）像是一个耳麦，可以直接与对方进行通信，负责在内场细致服务。

三、代码示例

3.1 注意点

  1. 服务器使用的端口需要手动指定，客户端的则需要系统自动分配
    • 因为服务器需要能被客户端百分百找到，万一服务器随便改变端口，那客户端按照以往的连接是无法连接到服务器的。
    • 客户端则没有这个需求，且客户端一旦指定端口号很可能回合其他程序冲突，系统自动分配的端口号一定是空闲的。
  2. flush() ------ 手动刷新
    • IO操作是比较有开销的，相比于访问内存，进行IO次数越多，程序的速度就越慢。为了解决这个问题，我们会使用一块内存作为缓冲区，写数据的时候，先写到缓冲区里。攒了一波数据之后，统一进行IO。
    • printWriter 内置了缓冲区
    • flush()可以实现手动刷新，可以确保这里的数据是真的通过网卡发出去了，而不是残留在内存缓冲区中的
    • 加上flush()可以让代码更稳妥，但是不加不一定会出错，因为缓冲区内置了一定的刷新策略
  3. 关于 close()
    close() 主要是删除文件描述符表中的记录。当然也并不是每个流对象都有文件描述符表，只有那种调用了操作系统提供的open()方法，涉及到了用户态和用户态。

3.2 回显服务器

基于UDP

（1）InetAddress 表示的是IP地址
（2）客户端要设置要传给的服务器的IP地址和端口号是多少，即示例中的 serverIp 和 serverPort 。服务器则是要手动指定一个端口号。
（3）难点在于 DatagramPacket 的构造，涉及了String 和 DatagramPacket 之间的转换。
（4）数据包的接收和发送，依靠 DatagramSocket 的 send 和 receive 方法。

//客户端
public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp;
    private int serverPort;

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

    public void start() throws IOException {
        //获取用户输入的内容
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        System.out.println("客户端启动！");

        //给服务器发送响应
        while (true){
            System.out.print("-> ");
            String request = scanner.next();
			
			//不能用request.length()，因为这是指字符长度，我们需要的是字节长度
			//除非是纯英文且由utf-8编码，那么两者会相同。Socket是按照字节来处理的。
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);
            socket.send(requestPacket);

            //接收响应
            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();
    }
}


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//服务器
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");
        while(true){
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(requestPacket);

            String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
            String response = process(request);

            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);

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

        }
    }

    public String process(String request){
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoServer server= new UdpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

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基于TCP

  1. 服务器对客户是多对多的关系，一个服务器内核会存许多客户端的连接（建立连接的过程，系统内核会自己完成）。连接就像是一个个代办事项，等待应用程序一个个完成。

  2. serverSocket.accept()：将在内核中已经建立好的连接取出来给应用程序

  3. 原理是一个【生产者消费者模型】
    在这里插入图片描述

  4. TCP中的长短连接

    • 短连接：每次接收到数据并返回响应后，都关闭连接，即只能一次收发数据
    • 长连接：不关闭连接，一直保持连接状态，双方不停的收发数据

  5. 缓冲区问题：
    创建一个TCP的socket，会同时在内核中创建一个 发送缓冲区 和一个 接收缓冲区

    • 调用write时，数据会先写入发送缓冲区中；
    • 如果发送的字节数太长，会被拆分成多个TCP的数据包发出；如果发送的字节数太短，就会先在缓冲区里等待，等到缓冲区长度差不多了，或者其他合适的时机发送出去；
    • 接收数据的时候，数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区；然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据；
    • 另一方面，TCP的一个连接，既有发送缓冲区，也有接收缓冲区，那么对于这一个连接，既可以读数据，也可以写数据。这个概念叫做 全双工
public class TcpServer {
    private ServerSocket socket = null;

    private ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

    public TcpServer(int port) throws IOException {
        socket = new ServerSocket(9090);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务端启动！");

        while (true){
            Socket clientSocket = socket.accept();
			
			//为了能够接收多个客户端，这里使用了线程池
			//当客户端进一步增加，线程数目也会增加，系统的负担也就越来越重，响应速度也就越来越慢
			//为了解决这个问题，就需要开源（引入更多的硬件资源）节流（减少每种硬件资源占用的资源）
            service.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        processConnection(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            });

        }
    }

    public void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){
            while(true){
                Scanner scannerClient = new Scanner(inputStream);
                String request = scannerClient.next();

                String response = process(request);

                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                writer.println(response);
                writer.flush();

                System.out.printf("[%s:%d] req:%s, resp:%s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(), request, response);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }finally {
            clientSocket.close();
        }
    }

    public String process(String request){
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpServer server = new TcpServer(9090);
        server.start();
    }
}


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public class TcpClient {
    private Socket socket = null;

    public TcpClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {
        socket = new Socket(serverIp, serverPort);
    }

    public void start(){
        System.out.println("客户端启动");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            while (true){
                System.out.print("---->");
                String request = scanner.next();
                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                writer.println(request);
                writer.flush();

                Scanner scammerConsole = new Scanner(inputStream);
                String response = scammerConsole.next();
                System.out.println(response);

            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 9090);
        client.start();
    }
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