Java网络编程之UDP与TCP的网络编程
⭐️前面的话⭐️
本文将介绍java中的网络编程，常见的网络编程方式有两种，一种是UDP，另外一种是TCP，其中UDP的服务器与客户端之间不需要建立连接就能进行通信，而TCP需要先建立服务器与客户端之间的连接才能进行通信，此外TCP与UDP不能进行通信。
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📆首发时间：🌴2022年4月29日🌴
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- 🍋1.UDP网络编程
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- 🍒1.1网络编程套接字
- 🍒1.2UDP客户端服务器回显服务程序
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- 🍇1.2.1UPD服务器
- 🍇1.2.2UDP客户端
- 🍒1.3UDP客户端服务器简单翻译服务程序
- 🍋2. TCP网络编程
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- 🍒2.1TCP客户端服务器回显服务程序
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- 🍇2.1.1TCP服务器
- 🍇2.1.2TCP客户端
- 🍇2.1.3解决无法同时启动多个客户端的问题
- 🍒2.2TCP客户端服务器简单翻译服务程序
🍋1.UDP网络编程
🍒1.1网络编程套接字
我们知道我们的数据是从应用层开始封装，一直到物理层封装完成并发送，那数据传输的第一步就是将应用层的数据交给传输层，为了完成这个过程，操作系统提供了一组API即socket，用来实现将应用层的数据转交给传输层（内核）进一步传输。
常见传输层协议有两种，分别是UDP与TCP，其中UDP无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工；TCP有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。
其中UDP类型的socket，有两个相关网络传输的核心类，一个是DatagramSocket，其实例的对象表示UDP版本的socket，这个socket可以理解为操作网卡的遥控器。
该类的关键方法是：
- receive方法：接收数据。
- send方法：发送数据。
- close方法：释放资源。
另一个是DatagramPacket，表示UDP数据报，在UDP的服务器和客户端都需要使用到，每次接收和发送数据都是在传输DatagramPacket对象。
最简单的客户端服务器程序就是回显服务，就是服务器收到什么就给客户端发送什么，就像你在一个空旷的地方，大声喊一句，大自然会回你一句一模一样的话。
在网络编程时，一定要注意区分服务器与客户端之间的五元组，所谓五元组就是：
- 源IP，本机IP。
- 源端口，本机端口号，服务器手动指定，客户端系统随机分配。
- 目的IP，包含在数据报中，服务器的目的IP在客户端发来的数据报中，客户端的目的IP就是服务器的IP。
- 目的端口，包含在数据报中，服务器的目的端口号在客户端发来的数据报中，客户端的目的端口号就是服务器的端口号。
- 协议类型，如UDP，TCP。
🍒1.2UDP客户端服务器回显服务程序
🍇1.2.1UPD服务器
服务器端设计步骤：
- 创建Socket实例对象(DatagramSocket对象)，并指定服务器的端口号。
- 启动服务器。
- 获取客户端请求(DatagramPacket为载体)。
- 处理客户端请求，并获取计算后的响应。
- 发送处理响应(DatagramPacket为载体)。
import java.io.IOException;import java.net.DatagramPacket;import java.net.DatagramSocket;import java.net.SocketException;public class UdpEchoServer { //1. 准备好socket实例，准备传输 private DatagramSocket serverSocket; //2. 创建udp服务器的时候，需要指定端口号进行创建，毕竟你需要知道这个端口号，在你写客户端时，它能帮助找到你的udp服务器 public UdpEchoServer(int port) throws SocketException { this.serverSocket = new DatagramSocket(port); } //3. 启动服务器 public void start() throws IOException { System.out.println("服务器准备就绪！"); //UDP不需要建立连接 while (true) { //1. 读取客户端的请求 DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);//参数为储存数据的数组与最大空间大小 serverSocket.receive(requestPacket); //2. 解析收到的数据包，一般解析成字符串进行处理 //构造字符串的参数分别为数据数组，存入数据数组的起始下标，长度，格式 String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength(), "UTF-8"); //3. 处理请求 String response = process(request); //4. 发送请求，因为数据的传输是依据DatagramPacket来进行传输的，所以我们需要先包装在发送 //除此之外，我们还需要知道客户端的地址和端口号 //接收DatagramPacket对象时。该对象里面存有客户端的地址和端口号。可以使用getSocketAddress方法获取 DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length, requestPacket.getSocketAddress()); serverSocket.send(responsePacket); //5. 输出发送日志 System.out.printf("[%s:%d] 收到的请求: %s, 回应: %s\n", requestPacket.getAddress().toString(), requestPacket.getPort(), request, response); } } //4.处理数据，回显服务直接将原数据返回即可 public String process(String data) { return data; } public static void main(String[] args) throws IOException { UdpEchoServer udpEchoServer = new UdpEchoServer(9090); udpEchoServer.start(); }}因为服务器是被动接收和处理请求的一端，客户端是主动发起请求的一端，那么客户端必须得知道给哪一个服务器发送请求，也就是需要知道服务器的端口号，所以构造客户端的Socket实例对象时，需要指定端口号构造。
我这里给服务器设置的端口号是9090，后面TCP服务器设置的是9092，线程池版本是9091，UDP客户端发送请求的时候注意带上服务器的IP和端口号，后面TCP创建客户端的Socket对象时需要根据服务器的端口号对应创建。
对于请求的处理的部分，因为我们实现的是一个回显服务，所以直接根据传来的请求，返回相同的响应即可，但是在实际开发中，这个处理请求的部分是非常复杂的。
在服务器收到客户端请求时，有关客户端地址的信息也会放入这个请求之中，所以服务器回复响应的时候，可以通过getSocketAddress方法来获取DatagramPacket中服务器的地址。
下面我们来看看客户端部分。
🍇1.2.2UDP客户端
客户端设计步骤：
- 创建Socket实例对象(DatagramSocket对象)。
- 用户输入请求。
- 读取用户请求。
- 打包请求并发送给服务器(DatagramPacket对象打包数据)。
- 等待响应。
- 接收响应，并反馈。
import java.io.IOException;import java.net.*;import java.util.Scanner;public class UdpEchoClient { // 1.创建socket对象 private DatagramSocket clientSocket; private String serverIp;//服务器IP地址 private int serverPort;//服务器端口号 public UdpEchoClient(String ip, int port) throws SocketException { //客户端可以自己指定端口号，也可以让系统自动分配，但是自己指定的端口号可能已经被使用了，所以系统分配端口号更好 this.clientSocket = new DatagramSocket(); this.serverIp = ip; this.serverPort = port; } // 2.启动客户端 public void start() throws IOException { //1. 获取用户输入的数据 Scanner sc = new Scanner(System.in); while (true) { //请输入 System.out.print("请输入需要发送的数据->"); String request = sc.next(); //2. 根据用户输入的数据，将数据打包，待发送 DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length, InetAddress.getByName(serverIp), serverPort); // 3.发送数据 clientSocket.send(requestPacket); // 4.接收请求 DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024); clientSocket.receive(responsePacket); String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength(), "UTF-8"); System.out.printf("我的请求: %s, 它的回应: %s\n", request, response); } } public static void main(String[] args) throws IOException { //127.0.0.1表示环回IP，表示自己主机 UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1", 9090); client.start(); }}当客户端创建Socket对象时，可以指定端口号创建也可以让系统随机分配，自己指定端口号有个缺点，那就是容易与其他已有的端口号冲突，所以系统随机分配更好，因为不用担心端口号的冲突的问题。
如果需要启动多个客户端，对于idea，需要进行设置，因为idea默认是只支持运行一个客户端的，具体设置过程如下：
第一步，右键代码编辑处，按下图进行操作。
第二步，找到蓝色小字Modify options，并点击。
第三步，勾选上Allow multiple instances。
大功告成！
🍒1.3UDP客户端服务器简单翻译服务程序
这个很简单，对于客户端不受影响，服务器只需把处理请求部分的代码修改即可。我们可以使用一个哈希表，将每个单词所对应的汉语意思存入哈希表中，这样就构成了一个词库，然后根据请求来获取对应的汉语词组即可，但是我们不可能把词库建的很全，我们来试着建立几个词汇的词库来帮助我们来理解网络编程即可。
import java.io.IOException;import java.net.SocketException;import java.util.HashMap;public class UdpDictServer extends UdpEchoServer{ //最简单的翻译处理服务器 private final HashMap<String, String> dict = new HashMap<>(); public UdpDictServer(int port) throws SocketException { super(port); //词库 dict.put("cat", "小猫"); dict.put("dog", "小狗"); dict.put("bird", "小鸟"); dict.put("apple", "苹果"); dict.put("banana", "香蕉"); dict.put("strawberry", "草莓"); dict.put("watermelon", "西瓜"); } @Override public String process(String data) { return dict.getOrDefault(data, "词库没有该单词!"); } public static void main(String[] args) throws IOException { UdpDictServer server = new UdpDictServer(9090); server.start(); }}🍋2. TCP网络编程
🍒2.1TCP客户端服务器回显服务程序
TCP相比于UDP有很大的不同，TCP需要建立连接，并且是通过文件读与写的方式来进行以字节为单位的传输。
而对于TCP传输，Java提供了两个类来进行数据的传输，一个是ServerSocket，给服务器接收客户端的连接，另外一个是Socket，用于服务器与客户端之间的通信，TCP的传输就像是打电话，客户端发送请求后，服务器调用ServerSocket类的accept方法来“接通电话”， 接通后两者之间就可以通过读写文件的方法来进行数据的传输，Socket就相当于一个“媒介”，往里面写数据就是发送，读数据就是接收。
🍇2.1.1TCP服务器
TCP服务器设计步骤：
- 创建ServerSocket实例对象，需指定端口号。
- 启动服务器。
- 使用accept方法建立连接。
- 接收请求（通过InputStream类读取请求）。
- 处理请求。
- 发送响应（通过OutputStream类发送响应）。
import java.io.IOException;import java.io.InputStream;import java.io.OutputStream;import java.io.PrintWriter;import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;import java.util.Scanner;public class TcpEchoServer { //1. 创建socket对象 private ServerSocket serverSocket; public TcpEchoServer(int port) throws IOException { this.serverSocket = new ServerSocket(port); } //2. 启动服务器 public void start() throws IOException { System.out.println("服务器准备就绪!"); while (true) { // 3. 接收客户端的“电话" Socket clientSocket = serverSocket.accept(); // 4. 接收 处理 回应数据processContain(clientSocket);} } private void processContain(Socket clientSocket) throws IOException { System.out.printf("[%s:%d] 服务器正式与客户端建立连接！\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort()); try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) { try (OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) { //接收数据 使用Scanner比InputStream的原生方法read更方便 Scanner receiveScanner = new Scanner(inputStream); while (true) { if (!receiveScanner.hasNext()) {System.out.printf("[%s:%d] 服务器与客户端已经断开连接！\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());break; } String request = receiveScanner.next(); //处理数据 String response = process(request); //发送数据，为了方便，我们可以使用PrintWriter类将OutputStream类对象包裹起来,就是用来把数据打印到文件里面 PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream); printWriter.println(response); //及时刷新缓冲区 printWriter.flush(); //输出回应信息 System.out.printf("[%s:%d] 收到的请求: %s 回应: %s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort(), request, response); } } }catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } finally { //释放资源 相当于挂断电话 clientSocket.close(); } } public String process(String data) { return data; } public static void main(String[] args) throws IOException { TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9092); server.start(); }}🍇2.1.2TCP客户端
客户端设计步骤：
- 创建Socket实例对象，用于与服务器建立连接，参数为服务器的IP地址和端口号。
- 启动客户端。
- 获取用户的请求。
- 发送请求（OutputStream或者PrintWriter）。
- 刷新缓冲区。
- 等待响应。
- 获取响应，并反馈。
import java.io.IOException;import java.io.InputStream;import java.io.OutputStream;import java.io.PrintWriter;import java.net.Socket;import java.util.Scanner;public class TcpEchoClient { //创建Socket对象 private Socket socket; public TcpEchoClient(String serverIP, int serverPort) throws IOException { socket = new Socket(serverIP, serverPort); } //启动客户端 public void start() { System.out.println("客户端启动成功！"); //用户输入数据 Scanner input = new Scanner(System.in); try (InputStream inputStream = socket.getInputStream()) { try (OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) { while (true) { //请输入数据 System.out.print("请输入需要传输的数据!->"); String request = input.next(); //发送数据 PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream); printWriter.println(request); //刷新缓冲区 printWriter.flush(); //接收回应 Scanner receiverScanner = new Scanner(inputStream); String response = receiverScanner.next(); //输出数据 System.out.printf("我的请求：%s 它的回应：%s\n", request, response); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } public static void main(String[] args) throws IOException { TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1", 9092); client.start(); }}🍇2.1.3解决无法同时启动多个客户端的问题
但是像上面怎么写，有一个很大的问题，那就是服务器只能连接一个客户端，因为在服务器代码中的processContain方法中，里面还有一层循环，这层循环需要与当前通信的客户端传输完成后才会退出，此时如果有其他的客户端“打电话”过来，就无法跳出到外层循环并与新的客户端建立连接，导致连接上一个客户端后无法与其他客户端建立通话，相当于打电话占线一样。简单说就是一个线程只能连接一个客户端，所以最简单的方式就是使用多线程，我们可以将processContain方法放入到线程执行的任务之中，每连接一个客户端就新建一个线程（使用线程池也可以）去与客户端建立起通信。
import java.io.IOException;import java.io.InputStream;import java.io.OutputStream;import java.io.PrintWriter;import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;import java.util.Scanner;public class TcpEchoServer { //1. 创建socket对象 private ServerSocket serverSocket; public TcpEchoServer(int port) throws IOException { this.serverSocket = new ServerSocket(port); } //2. 启动服务器 public void start() throws IOException { System.out.println("服务器准备就绪!"); while (true) { // 3. 接收客户端的“电话" Socket clientSocket = serverSocket.accept(); // 4. 接收 处理 回应数据 Thread thread = new Thread(() -> { try { processContain(clientSocket); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }); thread.start(); } } private void processContain(Socket clientSocket) throws IOException { System.out.printf("[%s:%d] 服务器正式与客户端建立连接！\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort()); try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) { try (OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) { //接收数据 使用Scanner比InputStream的原生方法read更方便 Scanner receiveScanner = new Scanner(inputStream); while (true) { if (!receiveScanner.hasNext()) {System.out.printf("[%s:%d] 服务器与客户端已经断开连接！\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort());break; } String request = receiveScanner.next(); //处理数据 String response = process(request); //发送数据，为了方便，我们可以使用PrintWriter类将OutputStream类对象包裹起来,就是用来把数据打印到文件里面 PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream); printWriter.println(response); //及时刷新缓冲区 printWriter.flush(); //输出回应信息 System.out.printf("[%s:%d] 收到的请求: %s 回应: %s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort(), request, response); } } }catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } finally { //释放资源 相当于挂断电话 clientSocket.close(); } } public String process(String data) { return data; } public static void main(String[] args) throws IOException { TcpEchoServer server = new TcpEchoServer(9092); server.start(); }}线程池版本：
import java.io.IOException;import java.io.InputStream;import java.io.OutputStream;import java.io.PrintWriter;import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;import java.util.Scanner;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;public class TcpThreadPoolEchoServer { //1. 创建socket对象 private ServerSocket serverSocket; public TcpThreadPoolEchoServer(int port) throws IOException { this.serverSocket = new ServerSocket(port); } //2. 启动服务器 public void start() throws IOException { System.out.println("服务器准备就绪!"); //创建线程池 ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool(); while (true) { // 3. 接收客户端的“电话" Socket clientSocket = serverSocket.accept(); // 4. 接收 处理 回应数据 pool.submit(new Runnable() { @Override public void run() { try { processContain(clientSocket); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } } private void processContain(Socket clientSocket) throws IOException { System.out.printf("[%s:%d] 服务器正式与客户端建立连接！\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort()); try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()) { try (OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) { //接收数据 使用Scanner比InputStream的原生方法read更方便 Scanner receiveScanner = new Scanner(inputStream); while (true) { if (!receiveScanner.hasNext()) { System.out.printf("[%s:%d] 服务器与客户端已经断开连接！\n", clientSocket.getInetAddress().toString(), clientSocket.getPort()); break; } String request = receiveScanner.next(); //处理数据 String response = process(request); //发送数据，为了方便，我们可以使用PrintWriter类将OutputStream类对象包裹起来,就是用来把数据打印到文件里面 PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream); printWriter.println(response); //及时刷新缓冲区 printWriter.flush(); //输出回应信息 System.out.printf("[%s:%d] 收到的请求: %s 回应: %s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort(), request, response); } } }catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } finally { //释放资源 相当于挂断电话 clientSocket.close(); } } public String process(String data) { return data; } public static void main(String[] args) throws IOException { TcpThreadPoolEchoServer server = new TcpThreadPoolEchoServer(9091); server.start(); }}🍒2.2TCP客户端服务器简单翻译服务程序
这个与UDP一样，改一改处理请求过程就行，即加上一个词库就行。
import java.io.IOException;import java.util.HashMap;public class TcpDictServer extends TcpEchoServer{ private final HashMap<String, String> dict = new HashMap<>(); public TcpDictServer(int port) throws IOException { super(port); //词库 dict.put("cat", "小猫"); dict.put("dog", "小狗"); dict.put("bird", "小鸟"); dict.put("apple", "苹果"); dict.put("banana", "香蕉"); dict.put("strawberry", "草莓"); dict.put("watermelon", "西瓜"); } @Override public String process(String data) { return dict.getOrDefault(data, "词库为找到该单词！"); } public static void main(String[] args) throws IOException { //里面的端口号根据你的服务器对应的端口号进行填写，我这里是9092 TcpDictServer server = new TcpDictServer(9092); server.start(); }}本文完结！撒花！
下期预告：计算机网络之应用层到物理层
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