Java【網絡原理】（2）初識網絡續與網絡編程

1.前言

2.正文

2.1TCP協議與UDP協議

2.2socket API進行網絡編程

2.2.1DatagramPacket類

2.2.1.1發送數據報

2.2.1.2接收數據報

2.2.1.3獲取數據報內容

2.2.1.4設置數據報內容

2.2.2DatagramSocket類

2.2.2.1構造方法

2.2.2.2常用方法

2.2.3具體代碼與解釋

3.小結

1.前言

哈嘍大家好吖，今天繼續給大家分享計算機網絡相關的知識，先講解傳輸層兩個重要的UDP和TCP協議，再講解在UDP中通過socket API來進行網絡編程。

2.正文

2.1TCP協議與UDP協議

在講解二者的概念與對比之前，先提前介紹幾個涉及到的概念：

有連接/無連接：指的是通信的A和B兩端是否互相保留對方的信息（即彼此之間是否知道是誰和它建立連接）。

可靠傳輸/不可靠傳輸：在網絡上，很容易出現丟包這種情況，因為光信號和電信號都可能受到外界干擾，如果在傳輸中識別到某些出錯的數據，打包丟掉，保證正常數據傳輸，這個叫做可靠傳輸，反之只管發送，不管中間的錯誤就是不可靠傳輸。

面向字節流/面向數據包：面向字節流，讀寫數據的時候，是以字節為單位面向數據報，讀寫數據的時候，以一個數據報為單位(不是字符)。

全雙工/半雙工：一個通信鏈路,支持雙向通信(能讀,也能寫) / 一個通信鏈路,只支持單向通信~~(要么讀,要么寫)

講解完以上概念，正文就可以順利開始~?

TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）是互聯網中最重要的兩種傳輸層協議，負責在應用程序之間傳輸數據。它們在設計目標、工作原理和應用場景上有顯著差異。以下是詳細的對比和解析：

TCP

特點：

面向連接：通信前需通過三次握手建立可靠連接，結束時通過四次揮手釋放連接。

可靠傳輸：通過確認應答（ACK）、超時重傳、數據排序、流量控制和擁塞控制確保數據完整、有序、無丟失。

全雙工通信：支持雙向數據流傳輸。

字節流模式：數據被看作無結構的字節流，由TCP自行分割和重組。

優點:

數據可靠性高，適合文件傳輸、網頁瀏覽等場景。

自動處理數據分片、重組和錯誤恢復。

缺點:

建立和釋放連接的開銷大。

傳輸延遲較高。

UDP

特點：

無連接：直接發送數據，無需建立連接。

不可靠傳輸：不保證數據到達、順序或完整性。

數據報模式：每個數據包獨立處理，保留邊界。

全雙工通信：支持雙向數據流傳輸。

優點：

傳輸速度快、延遲低。

資源占用少，適合實時性要求高的場景。

支持廣播和多播（一對多通信）。

缺點：

不保證數據可靠性，可能丟失或亂序。

2.2socket API進行網絡編程

接下來，就到了咱們的代碼環節了，我們將利用socket API來創建一個本地的UDP回顯服務器。那么何為回顯服務器呢？

UDP回顯服務器是一種簡單的網絡服務，它接收客戶端發送的UDP數據報，并將相同的數據報原樣返回給客戶端，即請求和響應相同。

2.2.1DatagramPacket類

在開始創建一個本地的UDP回顯服務器之前，需要先介紹一下我們要使用的DatagramPacket類：

DatagramPacket類用于封裝UDP數據報。它表示一個UDP數據報的結構，包括數據內容、目標地址、目標端口、數據長度等信息。

2.2.1.1發送數據報
DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)
buf：要發送的數據，存儲在字節數組中。

length：要發送的數據的長度。

address：目標主機的 IP 地址，類型為 InetAddress。

port：目標主機的端口號。

2.2.1.2接收數據報
DatagramPacket(byte[] buf, int length)
buf：用于存儲接收到的數據的字節數組。

length：字節數組的長度，即最大可接收的數據長度。

2.2.1.3獲取數據報內容

getData()：返回數據報的數據，類型為 byte[]。

getLength()：返回數據報的實際數據長度。

getAddress()：返回發送方的 IP 地址（接收時使用）。

getPort()：返回發送方的端口號（接收時使用）。

2.2.1.4設置數據報內容

setData(byte[] buf)：設置數據報的數據。

setLength(int length)：設置數據報的長度。

setAddress(InetAddress address)：設置目標地址。

setPort(int port)：設置目標端口。

2.2.2DatagramSocket類

DatagramSocket類用于發送和接收UDP數據報。它表示一個UDP端點，可以綁定到本地端口，并通過網絡發送和接收數據報。

2.2.2.1構造方法

DatagramSocket（）：系統隨機分配一個未使用的本地端口。
DatagramSocket（int port）：綁定指定的本地端口。
DatagramSocket（int port， InetAddress address）：綁定到指定的本地端口和地址。

2.2.2.2常用方法

void send（DatagramPacket p）：發送數據報。
void receive（DatagramPacket p）：接收數據報。
void close（）：關閉套接字。

2.2.3具體代碼與解釋

下面是具有詳細的注釋的代碼與講解：

UdpEchoServer：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {// 指定了一個固定端口號, 讓服務器來使用.socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {// 啟動服務器System.out.println("服務器啟動");while (true) {// 循環一次, 就相當于處理一次請求.// 處理請求的過程, 典型的服務器都是分成三個步驟的.// 1. 讀取請求并解析.//    DatagramPacket 表示一個 UDP 數據報. 此處傳入的字節數組, 就保存 UDP 的載荷部分.DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(requestPacket);//    把讀取到的二進制數據, 轉成字符串. 只是構造有效的部分.String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());// 2. 根據請求, 計算響應. (服務器最關鍵的邏輯)//    但是此處寫的是回顯服務器. 這個環節相當于省略了.String response = process(request);// 3. 把響應返回給客戶端//    根據 response 構造 DatagramPacket, 發送給客戶端.//    此處不能使用 response.length()DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());//    此處還不能直接發送. UDP 協議自身沒有保存對方的信息(不知道發給誰)//    需要指定 目的 ip 和 目的端口.socket.send(responsePacket);// 4. 打印一個日志System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", requestPacket.getAddress().toString(), requestPacket.getPort(),request, response);}}// 后續如果要寫別的服務器, 只修改這個地方就好了.// 不要忘記, private 方法不能被重寫. 需要改成 publicpublic String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

?UdpEchoClient：

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;// UDP 本身不保存對端的信息, 就自己的代碼中保存一下private String serverIp;private int serverPort;// 和服務器不同, 此處的構造方法是要指定訪問的服務器的地址.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. 從控制臺讀取用戶輸入的內容.System.out.println("請輸入要發送的內容:");if (!scanner.hasNext()) {break;}String request = scanner.next();// 2. 把請求發送給服務器, 需要構造 DatagramPacket 對象.//    構造過程中, 不光要構造載荷, 還要設置服務器的 IP 和端口號DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);// 3. 發送數據報socket.send(requestPacket);// 4. 接收服務器的響應DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(responsePacket);// 5. 從服務器讀取的數據進行解析, 打印出來.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();}
}

實現核心思路：

服務器端：

打開一個UDP套接字（Socket）。

綁定到一個指定的端口，等待客戶端發送數據。

接收客戶端發送的UDP數據報。

將接收到的數據報原樣發送回客戶端。

重復上述過程，直到服務器關閉。

客戶端：

打開一個UDP套接字。

向服務器的指定端口發送數據報。

接收服務器返回的數據報。

比較發送和接收的數據是否一致，以驗證數據傳輸的完整性。

關閉套接字。