【JavaEE】網絡（2）

一、網絡編程套接字

1.1 基礎概念

【網絡編程】指網絡上的主機，通過不同的進程，以編程的方式實現網絡通信；當然，我們只要滿足進程不同就行，所以即便是同一個主機，只要是不同進程，基于網絡來傳輸數據，也屬于網絡編程
【套接字】其實是socket的直譯，套接字就是傳輸層給應用層提供的網絡編程API（接口）通過這個接口，應用層程序可以通過這個接口使用傳輸層提供的服務，而不需要知道它的具體實現

套接字分為兩類：流式套接字和數據報套接字

流式套接字是基于TCP協議（一個傳輸層協議）實現的，TCP是一種面向連接型、可靠傳輸型、面向字節流、全雙工的傳輸層協議，流式套接字利用這些特性為應用層提供了一個簡單的接口，用于發送和接收數據流

數據報套接字是基于UDP協議（也是一個傳輸層協議）實現的，UDP是一種面向無連接型、不可靠傳輸型、面向數據報、全雙工的傳輸層協議

1.2 協議特點

接下來講解以下上述提到的 TCP協議和UDP協議的特點

1）面向有連接型 vs 面向無連接型：通過網絡發送數據分為面向有連接和面向無連接

有連接指在發送數據之前，發送端要先和接收端建立一條邏輯意義上的連接，連接建好后才能真正發送數據，數據發送完畢后要斷開連接；

就好比打電話，在說話之前，對方要先同意接聽，接聽并說完話后再掛斷電話

無連接則無需考慮建立連接和斷開連接，發送端可以在任何時候發送數據，接收端不知道自己會在何時收到數據，所以要時常檢查是否收到數據；

這個就像發送電子郵件，發送端可以隨時發送，無需讓接收端同意，接收端則要時常檢查是否有收到郵件

2）可靠傳輸 vs 不可靠傳輸：

可靠傳輸指將要傳輸的數據盡可能的傳輸給對方，在網絡通信的過程中，會存在"丟包"的情況：A給B傳輸10個數據報，B收到了9個；

原因是A傳輸給B，中間可能會經歷很多交換機和路由器，這些交換機和路由器不只是轉發你的數據，要轉發很多數據，當數據很多時，可能會超過它們自身的硬件水平，此時多出來的數據無法轉發，會被直接丟棄掉。

TCP為了對抗丟包，內部實現了一些機制（重發）來實現可靠傳輸（機制后面會詳細講）

不可靠傳輸指再出現丟包后，也不負責重發，不可靠傳輸更注重效率，在一些注重效率，對準確性要求不高的場景使用不可靠傳輸，可靠傳輸能盡可能保證數據傳給接收端，但效率上會大打折扣

3）面向字節流 vs 面向數據報

面向字節流指傳輸的數據以字節為單位

面向數據報指傳輸的數據以數據報為單位，傳輸數據是一個一個數據報，一次讀寫只能讀寫完整的數據報，不能讀寫半個

4）全雙工 vs 半雙工

全雙工指一條鏈路，能夠進行雙向通信，后續代碼創建socket對象，既可以讀(接收)也可以寫(發送)

半雙工指一條鏈路，只能進行單向通信

二、UDP-數據報套接字編程

socket API 是由傳輸層給應用層提供的API，傳輸層是封裝于操作系統內核態的，由操作系統內核直接管理，所以可以理解為socket api是由操作系統內核管理的，而Java對于系統這些API進行了封裝，所以使得用戶程序可以直接使用這些API

UDP的socket API 有兩個重要的類

2.1 DatagramSocket

屬于UDP Socket，創建DatagramSocket的對象就可以發送和接收UDP數據報，先來看構造方法：

構造方法	描述
DatagramSocket( )	創建一個UDP數據報套接字的Socket，綁定到本機任意一個隨機端口
DatagramSocket( int port )	創建一個UDP數據報套接字的Socket，綁定到本機指定的端口號

普通方法：

普通方法	描述
void receive (DatagramPacket p)	接收數據報，如果沒有接收到，該方法就會阻塞等待
void send(DatagramPacket p)	發送數據報，不會阻塞等待，直接發送（無連接）
void close( )	關閉此數據報套接字

當創建一個套接字時，系統會為其分配資源綁定端口號，如果用完不關閉則會導致資源持續被占用

2.2 DatagramPacket

表示UDP Socket發送和接收的數據報，一個DatagramPacket對象就相當于一個UDP數據報

構造方法

描述

DatagramPacket (byte[] buf, int length)

構造?個DatagramPacket以用來接收數據報，接收的數據保存在字節數組（第?個參數buf）中，接收指定長度（第?個參數length）

DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length,?

SocketAddress address)

構造?個DatagramPacket以用來發送數據報，發送的數據為字節數組（第?個參數buf）中，從0到指定? 度（第?個參數length）address指定?的主機的IP 和端?號

上述方法可以結合下述代碼理解

2.3 模擬回顯服務器

回顯服務器指客戶端發送一個請求給服務端，服務端將這個請求原封不動的作為相應返回給客戶端，這就叫回顯（請求啥相應就是啥），接下來先編寫服務器程序：

public class UdpEchoServer {public DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket =  new DatagramSocket(port); //創建 UDP Socket 并綁定一個端口號}}

服務器需要在程序啟動的時候，把在服務器程序的端口號確定下來，客戶端發送請求時需要知道服務器的IP地址（服務器所在主機的IP）、端口號port

服務器要能夠接收客戶端發送的數據，socket? receive( )；需要向receive傳入一個UDP數據報

public class UdpEchoServer {public DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket =  new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {//1) 接收請求DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);//此時創建好的requestPacket 是一個空的數據包//requestPacket包含兩個部分1.報頭 2.載荷//字節數組用來存儲數據socket.receive(requestPacket); //客戶端會send一個數據包, 就會跳轉到這里//此時由requestPacket 是一個預留好空間的空數據包// 為了方便在 java 代碼中處理 (尤其是后面進行打印) 可以把上述數據報中的二進制數據, 拿出來, 構造成 StringString request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());}}

接收來自客戶端的請求后，經過處理后將響應返回給客戶端，那么該如何知道應該給哪個客戶端返回響應，在我們receive接收到的數據包里就包含了這個數據包來自于哪個IP，來自于哪個端口號（客戶端）

// 2) 根據請求計算響應
String response = this.process(request);
// 3) 把響應寫回到客戶端
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), 0, response.getBytes().length, requestPacket.getSocketAddress());
socket.send(responsePacket);

requestPacket.getSocketAddress() 這個方法返回的對象里就包含了客戶端的IP地址和端口號

上述代碼干的事情就是將字符串類型的二進制數據再構造會UDP數據包并發送給客戶端

服務端完整代碼如下：

public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("服務器啟動!");while (true) { // 服務器需要7*24小時持續接收并處理請求// 1) 讀取請求并解析DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(requestPacket);//receive方法中的requestPacket是一個空的數據包，客戶端程序通過send方法發送有數據的數據包后//會直接跳轉到這里的receive方法，而這里的requestPacket是一個預留好空間的空數據包// 為了方便在 java 代碼中處理 (尤其是后面進行打印) 可以把上述數據報中的二進制數據, 拿出來, 構造成 StringString request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());//將字節數組構造成String類的對象// 2) 根據請求計算響應String response = this.process(request);// 3) 把響應寫回到客戶端DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), 0, response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);System.out.printf("[%s:%d] req=%s, resp=%s\n", requestPacket.getAddress(), requestPacket.getPort(),request, response); // 從左到右依次為: IP地址，端口號，請求，響應}}// 由于當前寫的是 "回顯服務器"public String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

接下來寫客戶端代碼：

首先客戶端需要知道服務器的IP和端口號，端口號是我們之前就設置的9090，IP用127.0.0.1，當服務器和客戶端在一個主機上，就用環回IP，這是系統提供的特殊的IP

public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {socket = new DatagramSocket();// 這倆信息需要額外記錄下來, 以備后續使用.this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;}
}

上述構造socket對象沒有指定端口號，這樣操作系統會分配一個空閑的端口號，這個端口號每次重新啟動程序都不一樣

// 1. 從控制臺讀取用戶輸入
String request = scanner.next();
// 2. 構造請求并發送
// 構造請求數據報的時候, 不光要有數據, 還要有 "目標 "
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), 0, request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);
socket.send(requestPacket); //發送數據包

上述InetAddress.getByName(serverIp)是將字符串格式的IP地址轉成Java能識別的InetAddress對象

發送完數據包，服務器經過處理返回響應，客戶端就要接收響應

// 3. 讀取響應數據
//構造一個空的數據包負責接收服務器返回的響應
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(responsePacket);
// 4. 顯示響應到控制臺上.
String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());
System.out.println(response);

在第2步執行完send后，客戶端程序緊接著到第三步的receive，由于從發送請求到返回響應需要些時間，所以這里receive會阻塞，阻塞到接收到服務器返回響應

完整的客戶端代碼如下：

public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;public UdpEchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {socket = new DatagramSocket();// 這倆信息需要額外記錄下來, 以備后續使用.this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;}public void start() throws IOException {System.out.println("客戶端啟動!");Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.print("請輸入要發送的請求: ");// 1. 從控制臺讀取用戶輸入String request = scanner.next();// 2. 構造請求并發送// 構造請求數據報的時候, 不光要有數據, 還要有 "目標"DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), 0, request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);socket.send(requestPacket);// 3. 讀取響應數據DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(responsePacket);// 4. 顯示響應到控制臺上.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("139.155.74.81", 9090);client.start();}
}

接下來啟動服務器程序和客戶端程序：

客戶端可以不斷發送請求并得到響應