【Java EE初阶十二】网络编程TCP/IP协议（一）

1. 网络编程

通过网络，让两个主机之间能够进行通信->就这样的通信来完成一定的功能，进行网络编程的时候，需要操作系统给咱们提供一组API，通过这些API来完成编程；API可以认为是应用层和传输层之间交互的路径，其中Socket Api（可以认为是插座）通过这个一套Socket Api可以完成不同主机之间，不同系统之间的网络通信；

传输层提供的网络协议主要有两个tcp、udp：这两个协议的特性（工作原理差异很大，就会导致使用这两种协议进行网络编程，也会存在一定的差异）

1.1 TCP和UDP的区别

        1、TCP是有连接的，UDP是无连接的；

这里的连接是抽象的概念，计算机中，这种抽象的连接是很常见的，此处的连接本质上就是建立连接的双方，各自保存对方的信息，即两台计算机建立连接，就是双方彼此保存了对方的关键信息；

TCP想要通信，就需要先建立连接（即计算机保存对方的信息），做完之后，才能后续通信（如果A和B想要建立连接，但是B拒绝了，通信就无法完成建立）

UDP想要通信，就直接发送数据报即可，不需要征得对方的同意，UDP自身也不会保存对方的信息（虽然UDP不知道，但是写程序的人得知道，UDP自己不保存对方的信息，但是调用UDP的socket api的时候就要把对方的位置信息等都传输过去）

2、TCP是可靠传输的，UDP是不可靠传输的；

网络上进行的通信，A->B发送一个信息，首先送到B的信息不可能做到100%送达，

所谓的可靠传输，就是退而求其次，当A->B发送一个消息，但是消息是不是达到B这一方，A这边自己是能感知到的，所以A在消息发送失败的时候就可以采取一定的措施（尝试重传之类的措施）

TCP就内置了可靠的传输机制，但是UDP就没有内置可靠传输；

可靠传输的不足：1、可靠传输所使用的机制更加复杂；2、可靠传输会导致消息的传输效率更加低；

综上所述：

        TCP协议：发送方知道传输的数据是否成功的传输给接收方

        UDP协议：消息发出去，就不管了，不再考虑消息是否成功发送给接收方；

3、TCP是面向字节流的，UDP是面向数据报的；

TCP也是和文件操作一样，以字节为单位来进行传输；UDP则是按照数据报（UDP有着自己严格的数据报格式）为单位来进行传输的

4、TCP和UDP都是全双工的；

        一个信道，允许双向通信，就是全双工；一个信道，只能单向通信，就是半双工；

代码中使用一个socket对象，就可以发送数据也可以接收数据；

2. 关于UDP

2.1 UDP的socket api

Socket其实是操作系统中的一个概念，本质上是一种特殊的文件；Socket就属于是把“网卡”这个设备给抽象成了文件了，往Socket文件里面写数据，就相当于通过网卡发送数据，从Socket文件里面读数据，就相当于通过网卡接收数据，（如此把网络通信和文件操作给统一了）

DatagramSocket ：

Java中，就是用DatagramSocket这个类，来表示系统内部的socket文件；

DatagramPacket：使用这个类，来表示一个UDP数据报；UDP是面向数据报的，每一次传输都是以UDP数据报为基本单位的；

2.2 基于UDP实现通信

写一个简单的UDP的客户端/服务器通信的程序

要求我们写的程序没有具体的业务逻辑，只是调用单纯的socket api，让客户端给服务器发送一个请求，且该请求是一个从控制台输入的字符串，服务器收到字符串之后，就会把这个字符串原封不动的返回给客户端，客户端在显示出来（即该服务器是回显服务器echo server）

1、读取请求并解析

服务器和客户端都需要创建socket对象，但是服务器的socket一般要显示的指定一个端口号，而客户端的socket一般不能显式指定（不显式指定，此时系统就会自动分配一个随机的端口），客户端的端口号是不需要确定的，交给系统进行随机分配即可，如果我们手动指定确定的端口，就可以和别人的程序的端口号冲突；

Q:服务器这边手动指定端口号，难道就不会出现端口号冲突吗？为啥客户端在意这个冲突，而服务器不在意这个冲突？

A:首先服务器是在程序员手里面的，一个服务器上有哪些程序，这些程序都使用哪些端口，程序员都是可控的，且程序员在写代码的时候，就可以指定一个空闲的端口，给当前的服务器使用即可；其次客户端的情况就不一样了，因为客户端是在用户的电脑上的，一方面，用户有成千上万，每一个用户电脑上所装的程序都不一样，占用的短端口也不一样，林外一方面，用户这边如果出现了端口号冲突，用户这方面自己本身不知道是什么原因

所以，客户端的端口号还是交给系统来进行分配，因为系统能保证肯定分配一个空闲的端口号；

服务器一旦启动，就会立即执行到这里的receive这里的方法，此时客户端的请求可能还没有过来，此时遇到这种情况，receive就会直接阻塞，一直阻塞到客户端把请求发送过来为止；

2、根据请求计算响应（一般的服务器都会经历的过程）

这个步骤是一个服务器程序最核心的步骤，我们当先的echo server不涉及到这些流程，只要求当请求过来就把请求当作响应，因为UDP是无连接的，所以udp自身不会保存数据要发送的对象信息，就需要每一次发送的时候，重新指定数据要发送到哪儿去；
3、把响应显示到客户端

4、打印一个日志，将我们进行的数据交互都打印出来

Q:为啥上述所写的代码中，没有写close，因为socket也是文件，不关闭的话就会出现之前我们所讲的文件资源泄露问题嘛？

A: 首先socket是文件描述符表中的一个表项，每一次打开一个文件，就会占用一个位置；文件描述符是在pcb上的（跟随的是进程）

其次这个socket在整个程序的运行中都是需要使用的（不能提前关闭），当socket不需要使用的时候，意味着程序就要结束了，进程结束，此时随之的文件描述符表就会销毁了（pcb也会销毁），被销毁后资源就会被系统进行自动回收；

最后，所谓出现泄露，是指代码中频繁打开文件，但是不会关闭，在一个进程的运行过程中，不断的打开文件，并逐渐消耗掉文件描述符表里面的内容，最终该资源就会被消耗殆尽了；但是，如果进程的生命周期很短，打开一下没多久就关闭了，谈不上所谓的资源泄露；

综上所述，文件资源泄露这样的问题，在服务器这边是比较严重的，在客户端这边其实影响不大；

2.3 代码实现

2.3.1 服务器代码

package network;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;

public class UdpEchoServer {
    // 创建一个 DatagramSocket 对象. 后续操作网卡的基础.
    private DatagramSocket socket = null;

    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        // 这么写就是手动指定端口
        socket = new DatagramSocket(port);
        // 这么写就是让系统自动分配端口
        // socket = new DatagramSocket();
    }

    public void start() throws IOException {
        // 通过这个方法来启动服务器.
        System.out.println("服务器启动!");
        // 一个服务器程序中, 经常能看到 while true 这样的代码.
        while (true) {
            // 1. 读取请求并解析.
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(requestPacket);
            // 当前完成 receive 之后, 数据是以 二进制 的形式存储到 DatagramPacket 中了.
            // 要想能够把这里的数据给显示出来, 还需要把这个二进制数据给转成字符串.
            String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
            // 2. 根据请求计算响应(一般的服务器都会经历的过程)
            //    由于此处是回显服务器, 请求是啥样, 响应就是啥样.
            String response = process(request);
            // 3. 把响应写回到客户端.
            //    搞一个响应对象, DatagramPacket
            //    往 DatagramPacket 里构造刚才的数据, 再通过 send 返回.
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            // 4. 打印一个日志, 把这次数据交互的详情打印出来.
            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();
    }
}

2.3.2 客户端代码

package network;

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

public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp = "";
    private int serverPort = 0;

    public UdpEchoClient(String ip, int port) throws SocketException {
        // 创建这个对象, 不能手动指定端口.
        socket = new DatagramSocket();
        // 由于 UDP 自身不会持有对端的信息. 就需要在应用程序里, 把对端的情况给记录下来.
        // 这里咱们主要记录对端的 ip 和 端口 .
        serverIp = ip;
        serverPort = port;
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动!");
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            // 1. 从控制台读取数据, 作为请求
            System.out.print("-> ");
            String request = scanner.next();
            // 2. 把请求内容构造成 DatagramPacket 对象, 发给服务器.
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            // 3. 尝试读取服务器返回的响应了.
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(responsePacket);
            // 4. 把响应, 转换成字符串, 并显示出来.
            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);
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("42.192.83.143", 9090);
        client.start();
    }
}

2.3.3 客户端和服务器交互逻辑

分析如下：

1、服务期先启动，启动之后就开始进行循环，执行到receive这里并阻塞（此时还没有客户端过来）

2、客户端开始启动，也会先进入while循环，执行scanner.next，并且在这里进行阻塞，当用户在控制台输入字符串后，next就会返回，并且构造请求数据病发出来

3、客户端发出数据之后：

服务器：就会从rfeceive中返回，进一步的执行解析请求为字符串，执行process操作，执行send操作

客户端：继续往下执行，执行到receive服务器的响应；

4、客户端收到从服务器返回的数据之后，就会从receive中返回，执行这里的打印操作，也就把响应给显示出来了；

5、服务器这边完成过一次循环之后，又执行到receive这里；客户端这边完成一次循环之后，又执行到scanner.next这里，双双进入阻塞；

ps：本篇内容主要讲解关于UDP时间简单通信的过程，如果大家感兴趣的话就请一键三连哦！！！