【Java网络编程02】套接字编程

【Java网络编程02】套接字编程

1. Socket套接字

概念：Socket套接字，就是系统提供用于实现网络通信的技术，是基于TCP/IP协议的网络通信基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。
分类：
我们可以把Socket套接字分为两类

  1. 流套接字：使用传输层TCP协议

TCP，即Transmission Control Protocol（传输控制协议）
以下为TCP的特点：（细节后续有专门章节解释）

  • 有连接的
  • 可靠传输
  • 面向字节流的
  • 全双工的
  1. 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）
一下为UDP的特点（细节后续有专门章节解释）

  • 无连接的
  • 不可靠传输
  • 面向数据报
  • 全双工

这里简单介绍一些相关概念：

面向字节VS面向数据报：
这里与文件流中的字符流与字节流很类似，面向字节表明网络传输数据是以字节为单位的，而面向数据报表明UDP传输依靠UDP数据报进行传输（稍后我们在代码中会体现）

全双工VS半双工：
半双工：通信双方基于管道进行传输，但是数据只能单向流动，如图所示：
image.png
全双工：通信双方可以实现数据的双向流动，如图所示：
image.png

2. UDP数据报套接字编程

2.1 相关API

在运用UDP进行网络编程之前，我们需要先熟悉UDP套接字编程相关API的使用，只有掌握了这些API工具才能更好地进行编程的实现，我们主要学习的有两个类：DatagramSocket，DatagramPacket

  1. DatagramSocket：OS提供了网络编程所需的API，也叫做"Socket API"，而Java又进行了一层封装，使用提供的类DatagramSocket就可以实现对于网卡等硬件设备文件的读写操作。
  2. DatagramPacket：前面我们有介绍过，UDP协议是面向数据报的，因此网络传输单位不是字节而是数据报，Java提供类DatagramPacket相当于数据报的抽象，因此实例化该对象相当于构建了一个数据报。在编程中我们发送的与接收数据的参数就是DatagramPacket对象

DatagramSocket（列举部分）：

修饰符+返回类型签名说明
构造方法DatagramSocket()无参构造，创建一个实例对象（通常用于客户端）
构造方法DatagramSocket(int port)含参构造，参数为端口号，创建一个实例对象（通常用于服务器端）
voidsend(DatagramPacket p)向socket中发送一个数据报
voidreceive(DatagramPacket p)从socket中接收一个数据报（接收不到就阻塞等待）

DatagramPacket（列举部分）：

修饰符+返回类型签名说明
构造方法DatagramPacket(byte[] buf, int length)构建一个用于接收数据长度为length的数据报对象
构造方法DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)构建一个将要发送的数据长度为length的数据报，并指定发送目的IP与端口号
byte[]getData()从数据缓冲区中读取数据
intgetLength()返回发送或接收的数据长度

2.2 UDP编程代码

2.2.1 实现需求

作为我们的第一个UDP实验，我们希望实现一个回显服务器的效果（这相当于网络编程的"Hello World"），需求如下：

  1. 程序分为两部分，服务器端和客户端
  2. 客户端可以接收键盘输入内容，封装报文向指定服务器发送数据报
  3. 服务器端接收数据报后在显示器上打印格式为[/127.0.0.1, 52523]服务器接收到请求: xxx，并回复给客户端OK
  4. 客户端发送数据报后等待服务器响应内容，然后将响应内容打印在显示器上
  5. 要求服务器可以持续接收客户端请求，客户端可以不停接收用户键盘输入
2.2.2 代码编写

UDP服务器端代码：

/**
 * UDP服务器端代码
 */
public class UdpServer {
    private int serverPort = 0; // 服务器端端口
    private DatagramSocket socket = null;

    public UdpServer(int port) throws SocketException {
        this.serverPort = port;
        this.socket = new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器开始启动....");
        // 1. 循环处理客户端请求
        while (true) {
            // 2. 阻塞等待客户端请求
            DatagramPacket request = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(request);
            // 3. 获得请求后进行处理
            String responseMsg = process(request);
            // 4. 将响应回传客户端
            DatagramPacket response = new DatagramPacket(responseMsg.getBytes(), responseMsg.getBytes().length, request.getSocketAddress());
            socket.send(response);
        }
    }

    public String process(DatagramPacket request) {
        // 根据请求数据读取构造字符串
        String msg = new String(request.getData(), 0, request.getLength());
        System.out.printf("[%s, %d]服务器接收到请求: %s\n", request.getAddress(), request.getPort(), msg);
        // 服务器端返回OK
        return "OK";
    }

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

UDP客户端代码：

/**
 * UDP客户端代码
 */
public class UdpClient {
    private String serverIP;

    private int serverPort;

    private DatagramSocket socket;

    public UdpClient(String serverIP, int serverPort) throws SocketException {
        this.serverIP = serverIP;
        this.serverPort = serverPort;
        this.socket = new DatagramSocket();
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动....");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        // 1. 用户持续输入
        System.out.print("->");
        while (scanner.hasNext()) {
            String input = scanner.next();
            // 2. 将用户输入内容构造成数据报
            DatagramPacket request = new DatagramPacket(input.getBytes(), input.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIP), serverPort);
            // 3. 向服务器端发送数据报
            socket.send(request);
            // 4. 阻塞等待服务器端响应
            DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(response);
            // 5. 打印响应内容
            String responseMsg = new String(response.getData(), 0, response.getLength());
            System.out.println(responseMsg);
            System.out.print("->");
        }
    }

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

运行效果：

客户端：
image.png

服务器端：
image.png

2.2.3 流程分析

我们以客户端输入"hello"为例分析客户端和服务器端各自的执行流程

  1. 服务器端执行socket.receive(request);进入阻塞状态，等待客户端的请求
  2. 客户端执行while(scanner.hasNext()) {...}阻塞等待用户键盘输入
  3. 客户端用户在键盘敲下"hello"，客户端停止阻塞，执行以下代码
String input = scanner.next();
// 2. 将用户输入内容构造成数据报
DatagramPacket request = new DatagramPacket(input.getBytes(), input.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIP), serverPort);
// 3. 向服务器端发送数据报
socket.send(request);
// 4. 阻塞等待服务器端响应
DatagramPacket response = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
socket.receive(response);

将用户输入内容构造成DatagramPacket对象，然后执行socket.send(request)向服务器发送请求。然后执行socket.receive(response);进入阻塞状态，等待服务器响应
image.png

  1. 服务器端停止阻塞，开始执行以下代码
// 3. 获得请求后进行处理
String responseMsg = process(request);
// 4. 将响应回传客户端
DatagramPacket response = new DatagramPacket(responseMsg.getBytes(), responseMsg.getBytes().length, request.getSocketAddress());
socket.send(response);

服务器获得请求数据报后开始解析，然后构建响应数据报返回给客户端，即调用socket.send(response);，向客户端发送数据报socket.send(response);，之后再次执行while循环执行socket.receive(request);，阻塞等待下一次的客户端请求
image.png

  1. 客户端接收到服务器端响应，停止阻塞，执行以下代码
// 5. 打印响应内容
String responseMsg = new String(response.getData(), 0, response.getLength());
System.out.println(responseMsg);
System.out.print("->");

将响应内容显示在屏幕上后，继续执行while(scanner.hasNext()) {...}进入阻塞等待下一次用户输入，由此进入闭环。

总结：无论是客户端还是服务器端，都需要各自执行通过套接字发送请求、接收响应的过程即客户端调用一次send、一次receive方法，服务器端调用一次send、一次receive方法。而且send方法中的参数一定是载有实际发送内容的字节数组，而receive方法参数所需的DatagramPacket对象内部则为空的字节数据，是需要被响应内容所填充的 输出型参数。

完整流程图：

image.png

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