传输层中UDP和TCP的api实现原理
- 1. UDP和TCP协议特点
- 1.1 TCP
- 1.2 UDP
- 2. UDP协议中socket api的使用
- 2.1 服务器:
- 2.2 客户端
- 2.3 整个流程
- 3. TCP协议中的api使用
- 3.1 TCP服务器
- 3.2 TCP客户端
- 3.3 整个流程
1. UDP和TCP协议特点
1.1 TCP
- 有连接:抽象,虚拟的连接(如打电话)
- 可靠传输:尽可能的完成数据传输,虽然无法确保数据到达对方,至少可以知道,当前数据是不是收到了
- 面向字节流:此处的字节流和文件中的字节流完全一致
- 全双工:一个通信可以双向通信。(而半双工只能单向通信)
1.2 UDP
- 无连接:无论是否同意都会发送
- 不可靠传输:不确定数据是否能收到
- 面向数据报:每次传输的基本单位是一个数据报(由一系列的字节构成的)特定结构
- 全双工
2. UDP协议中socket api的使用
操作系统中有一类文件,就叫做socket文件,抽象表示了 网卡 这样的硬件设备。进行网络通信最核心的硬件设备网卡,通过网卡发送数据,就是写socket文件,通过网卡接收数据,就是读socket文件。
核心的类有两个:
-
DatagramSocket
DatagramSocket(),创建一个UDP数据报套接字的Socket,绑定到本机任意一个随机接口(一般用于客户端)。
DatagramSocket(port),创建一个UDP数据报套接字的Socket,绑定本机指定的端口(一般用于服务器)。
void receive(DatagramPacket p) :从此套接字接收数据报(如果没有接收数据报,该方法会阻塞等待)。
void send(DatagramPacket p) :从此套接字发送数据报(不会阻塞等待,直接发送)。 -
DatagramPacket
UDP面向数据报,每次发送数据报的基本单位,就是UDP数据报。表示了一个UDP数据报。
2.1 服务器:
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class UdpEchoServer {
//创建DatagramSocket对象
private DatagramSocket socket = null;
public UdpEchoServer(int port) throws SocketException { // 网络编程中常见的异常,通常表示socket创建失败,比如端口号已经被其他进程占用了,就会失败
socket = new DatagramSocket(port);
}
// 服务器启动逻辑
public void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动!");
// 对于服务器来说,需要不停的收到请求,返回响应
while (true) {
// 每次循环,就是处理一个请求-响应过程
// 1. 读取请求并解析
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);// 通过这个字节数组保存收到的消息正文(应用层数据包)也就是UDP数据报载荷部分
// receive接收从网卡读取到一个UDP数据报,放入requestPacket对象中
socket.receive(requestPacket);
// 读到的字节数组,转成String方便后续逻辑处理
String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
// 2. 根据请求计算响应(对于 回显服务器来说,这一步啥也不做)
String response = process(request);
// 3. 把响应返回到客户端
// 构建一个DatagramPacket 作为响应对象
// requestPacket.getSocketAddress() 从requestPacket客户端来的数据报,获得INetAddress对象这个对象就包含了ip和端口号(和服务器通信对端)
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,
requestPacket.getSocketAddress());
socket.send(responsePacket);
//打印日志
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 udpEchoServer = new UdpEchoServer(9090);
udpEchoServer.start();
}
}
2.2 客户端
import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;
public class UdpEchoClient {
private DatagramSocket socket = null;
private String serverIp;
private int serverPort;
// 此处的IP使用的字符串,点分十进制,”192.168.2.100“ 不能直接使用serverIp,要InetAddress.getByName(serverIp)
public UdpEchoClient(String serverIP,int serverPort) throws SocketException {
this.serverIp = serverIP;
this.serverPort = serverPort;
// 客户端一般不要手动指定端口号,系统会自动分配一个空闲的端口号
socket = new DatagramSocket();
}
public void start() throws IOException {
System.out.println("启动客户端");
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (true) {
System.out.print("-> ");
// 1. 从控制台读取要发送的请求数据
if (!scanner.hasNext()) {
break;
}
String request = scanner.next();
// 2. 构造请求并发送 (把string里面的内容作为请求)
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),0,request.getBytes().length
, InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
socket.send(requestPacket);
// 3, 获取服务器响应
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
socket.receive(responsePacket);
// 4. 把响应显示到控制台上
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);
client.start();
}
}
2.3 整个流程
- 服务器启动,启动之后立即进入while循环,执行到receive,进入阻塞等待客户端的请求
- 客户端启动之后,阻塞在hasNext等待用户在控制台输入
- 用户在客户端输入之后,客户端就拿到字符串构造出一个(requestPacket)请求,send发送请求,然后创建responsePacket来执行receive接收操作并且等待响应返回。
- 服务器收到请求之后,就会从receive的阻塞中返回,之后就会根据读到的DatagramPacket对象,构造String request,通过process方法构造一个String response,再根据response构建一个DatagramPacket表示响应对象,再通过send来进行发送给客户端。(这个过程中,客户端在阻塞等待)。
- 客户端从receive中返回执行,就能得到服务器返回的响应,并且打印到控制台上,与此同时,服务器进入下一次循环,也要进入到第二次的receive阻塞。等待下一个请求。
3. TCP协议中的api使用
- ServerSocket:这个socket类对应到网卡,但是这个类只能给服务器进行使用
- Socket:对应到网卡,既可以给服务器使用,也可以给客户端使用。
TCP是面向字节流的,传输的基本单位是字节,是有连接的,通过accept来完成连接,accept也是可能会产生阻塞的操作,如果当前客户端还没有连接过来,此时accept就会阻塞。
3.1 TCP服务器
// ServerSocket 这是Socket类对应到网卡,但是这个类只能给服务器使用
import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
public class TcpEchoServer {
private ServerSocket serverSocket = null;
public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
serverSocket = new ServerSocket(port);
}
public void start() throws IOException {
System.out.println("服务器启动!");
while (true) {
// 通过accept方法来”接听电话“,然后才能进行
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
// 和客户端的交互
processConnection(clientSocket);
}
}
// 通过这个方法开处理一次连接,连接建立的过程中就会涉及到多次的请求响应交互
private void processConnection(Socket clientSocket) {
System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线!\n",clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort());
// 循环的读取客户端的请求并返回响应
// 从网卡读/写数据,tcp是面向字节流和文件中的字节流完全一致
try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
while (true) {
Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
if (!scanner.hasNext()) {
// 读取完毕,客户端断开连接,就会产生读取完毕
System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线!\n",clientSocket.getInetAddress(),
clientSocket.getPort());
break;
}
// 1. 读取请求并解析,这里注意隐的约定,next读的时候要读到空白符才会结束
// 因此就要求客户端发来的请求必须带有空白符结尾,比如 \n 或空格
String request = scanner.next();
// 2. 根据请求计算响应
String response = process(request);
// 3. 把响应返回给客户端
// 通过这种方式可以写回,但是这种方式不方便给返回的响应添加 \n
//outputStream.write(response.getBytes(),0,response.getBytes().length);
// 也可以把outputStream 套上一层,完成更方便的写入
PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
printWriter.println(response);
// PrintWriter 内置的缓冲区需要冲刷(刷新)
// 冲刷缓冲区
printWriter.flush();
System.out.printf("[%s:%d] req:%s,resp: %s\n",clientSocket.getInetAddress(),
clientSocket.getPort(),request,response);
}
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public String process(String request) {
return request;
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
TcpEchoServer tcpEchoServer = new TcpEchoServer(9090);
tcpEchoServer.start();
}
}
3.2 TCP客户端
// Socket 对应到网卡,既可以给服务器使用,又可以给客户端使用
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 TcpEchoClient {
private Socket socket = null;
public TcpEchoClient(String serverIP,int serverPort) throws IOException {
// 此处可以把这里的ip和port直接传给socket对象
// 由于tcp是有连接的,因此socket里面就会保存好这俩信息,因此此处TcpEchoClient类就不必保存
socket = new Socket(serverIP,serverPort);
}
public void start() {
System.out.println("客户端启动!\n");
try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {
Scanner scannerConsole = new Scanner(System.in);
Scanner scannerNetwork = new Scanner(inputStream);
PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
while (true) {
// 1. 从控制台读取输入的字符串
System.out.print("-> ");
if (!scannerConsole.hasNext()) {
// 没有下一个
break;
}
// 有下一个接着读取
String request = scannerConsole.next();
// 2. 把请求发给服务器 使用println 来发送的请求末尾带有\n
// 这里是和服务器的scanner.next 呼应的
writer.println(request);
// 通过flush 主动刷新缓冲区,确保数据真的发出去了
writer.flush();
// 3.从服务器读取响应
String response = scannerNetwork.next();
// 4. 把响应显示出来
System.out.println(response);
}
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);
client.start();
}
}
3.3 整个流程
- 服务器启动,阻塞在accept,等待客户端连接
- 客户端启动,new Socket(ServerIP,ServerPort)操作会触发和服务器之间的建立连接的操作,此时服务器就会从accept中返回
- 服务器从accept返回,进入到processConnection方法,执行到hasNext这里,产生阻塞,此时虽然连接建立了,但是客户端还没有发送任何的请求,hasNext阻塞等待请求到达。
- 客户端继续执行到hasNext,等待用户向控制台写入内容。
- 用户输入之后,此时hasNext就返回了,继续执行这里的发送请求的逻辑,这里就会把请求真的发出去,同时客户端等待服务器的响应返回,next也会产生阻塞。
- 服务器从hasNext返回读取到请求内容进行处理,读取到请求,构造出响应,把响应写回到客户端。服务器结束这次循环,继续阻塞在hasNext等待下一个请求。
- 客户端读取响应,并且显示出来。结束这次循环,进行下一次循环,继续阻塞在hasNext等待用户输入第二个数据。