【网络编程】UDP

news/2024/5/18 15:29:24 标签: udp, 网络, 网络协议

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目 录

  • 🏯一. UDP数据报套接字编程
  • 🏰二. 写一个 UDP 版本的 回显服务器-客户端.（echo server）
    • 🏭1. 服务器：
    • 🗼2. 客户端：
    • ⛺️3. 理清楚客户端和服务器的工作流程：

🏯一. UDP数据报套接字编程

  • DatagramSocket API

socket 类，本质上是相当于一个 “文件”，在系统中，还有一种特殊的 socket 文件，对应到网卡设备。构造一个 DatagramSocket 对象，就相当于是打开了一个内核中的 Socket 文件，打开之后，就可以传输数据了。send 发送数据；receive 接收数据；close 关闭文件。

DatagramSocket 是UDP Socket，用于发送和接收UDP数据报。

DatagramSocket 构造方法：

方法签名方法说明
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端口（一般用于客户端）
DatagramSocket(int port)创建一个UDP数据报套接字的Socket，绑定到本机指定的端口（一般用于服务端）

DatagramSocket 方法：

方法签名方法说明
void receive(DatagramPacket p)从此套接字接收数据报（如果没有接收到数据报，该方法会阻塞等待）
void send(DatagramPacketp)从此套接字发送数据报包（不会阻塞等待，直接发送）
void close()关闭此数据报套接字
  • DatagramPacket API

表示一个 UDP 数据报，UDP 是面向数据报的协议，传输数据，就是以 DatagramPacket 为基本单位

DatagramPacket是UDP Socket 发送和接收的数据报。

DatagramPacket 构造方法：

方法签名方法说明
DatagramPacket(byte[] buf, int length)构造一个DatagramPacket以用来接收数据报，接收的数据保存在字节数组（第一个参数buf）中，接收指定长度（第二个参数length）
DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, SocketAddress address)构造一个DatagramPacket以用来发送数据报，发送的数据为字节数组（第一个参数buf）中，从 0 到指定长度（第二个参数 length）。address指定目的主机的IP和端口号

DatagramPacket 方法：

方法签名方法说明
InetAddress getAddress()从接收的数据报中，获取发送端主机IP地址；或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址
int getPort()从接收的数据报中，获取发送端主机的端口号；或从发送的数据报中，获取接收端主机端口号
byte[] getData()获取数据报中的数据

构造UDP发送的数据报时，需要传入 SocketAddress ，该对象可以使用 InetSocketAddress 来创
建。

  • InetSocketAddress API

IP 地址 + 端口号

InetSocketAddress （ SocketAddress 的子类 ）构造方法：

方法签名方法说明
InetSocketAddress(InetAddress addr, int port)创建一个Socket地址，包含IP地址和端口号

🏰二. 写一个 UDP 版本的 回显服务器-客户端.（echo server）

回显：客户端发啥，服务器就返回啥。不涉及到任何的业务逻辑，而只是单纯的演示 api 的用法。

🏭1. 服务器：

socket = new DatagramSocket(port);

绑定一个端口 => 把这个进程和一个端口号关联起来

一个操作系统上面，有很多端口号，0 - 65535 。
 
程序如果需要进行网络通信，就需要获取到一个端口号，端口号相当于用来在网络上区分进程的身份标识符。（操作系统收到网卡数据，就可以根据网络数据报中的端口号，来确定要把这个数据交给哪个进程）

分配端口号的过程：

  1. 手动指定
new DatagramSocket(port);
  1. 系统自动分配
socket = new DatagramSocket();

一个端口，在通常情况下，是不能被同一个主机上的多个进程同时绑定的；一个进程是可以绑定多个端口的。

如果端口已经被别人占用，再尝试绑定，就会抛出异常 throws SocketException

  • 读取客户端发来的请求，尝试读取，不是说调用了就一定能读到
//1.读取客户端发来的请求
socket.receive();

如果客户端没有发来请求，receive 就会阻塞等待，直到真的有客户端的请求过来了，receive 才会返回。

注意：

receive 是通过参数来放置读取到的数据的，而不是通过返回值。看源码中：
在这里插入图片描述
输出型参数！！需要调用 receive 之前，先构造一个空的 DatagramPacket ，然后把这个空的 DatagramPacket 填到参数中，receive 返回之后自然把读到的数据给放到参数里面。出现异常是 IOException 异常，处理一下就好了。
在这里插入图片描述

  • 对请求进行解析，把 DatagramPacket 转成一个 String
String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());

还有一种写法：

在这里插入图片描述

但是这种写法是要被舍弃的，String 被画了删除线，可能在未来某一天就被删除了。

  • 根据请求，处理响应，虽然这里此处是个回显服务器，但是还是可以单独搞个方法来做这个事情
String response = process(request);

通过这个方法，实现根据请求计算响应，这个过程由于是回显服务器，所以涉及不到其他逻辑，但是如果是其他服务器，就可以在 process 里面，加上一些其他逻辑的处理

public String process(String req){
    return req;
}
  • 把响应构造成 DatagramPacket 对象（构造响应对象，要搞清楚，对象要发给谁，谁给咱发的请求，就把响应发给谁）
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());

这个也是构造 DatagramPacket 的一种方式，先是拿字符串里面的字节数组，来构造 Packet 的内容，还要把请求中的客户端地址拿过来，也填到包裹里去。
 
response.getBytes().length 可以写作 response.length 吗？
不行 response.getBytes().length 表示的是字节数，response.length 表示的是字符数

requestPacket.getSocketAddress() -> （地址）IP + 端口

  • 把这个 DatagramPacket 对象返回给客户端
 socket.send(responsePacket);
System.out.printf("[%s:%d] req = %s; resp = %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),request,response);

注意是 printf ！！！和 C 中的 printf 差不多

服务器总代码：

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

public class UDPEchoServer {
    //想要创建 UDP 服务器，首先要打开一个 socket 文件
    private DatagramSocket socket = null;

    public UDPEchoServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    //启动服务器
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动！");
        while (true){//服务器一直在运行，所以得一直运行
            //1. 读取客户端发来的请求
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);

            //2. 对请求进行解析，把 DatagramPacket 转成一个 String
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());

            //3. 根据请求，处理响应，虽然这里此处是个回显服务器，但是还是可以单独搞个方法来做这个事情
            String response = process(request);

            //4. 把响应构造成 DatagramPacket 对象
            //构造响应对象，要搞清楚，对象要发给谁，谁给咱发的请求，就把响应发给谁
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());

            //5. 把这个 DatagramPacket 对象返回给客户端
            socket.send(responsePacket);
            System.out.printf("[%s:%d] req = %s; resp = %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),requestPacket.getPort(),request,response);
        }
    }
    //通过这个方法，实现根据请求计算响应，这个过程由于是回显服务器，所以涉及不到其他逻辑，
    //但是如果是其他服务器，就可以在 process 里面，加上一些其他逻辑的处理
    public String process(String req){
        return req;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //真正启动服务器，这个端口号说是随便写，但是也有范围的，0 -> 65535
        //但是一般来说 1024 以下的端口，都是系统保留
        //因此咱们自己写代码，端口号还是尽量选择 1024 以上，65535 以下
        UDPEchoServer server = new UDPEchoServer(8000);
        server.start();
    }
}

🗼2. 客户端：

服务器，端口一般是手动指定的，如果自动分配，客户端就不知道服务器的端口是啥了，因此服务器有固定端口客户端才好访问。

客户端，端口一般是自动分配的，客户端程序是安装在用户的电脑上的，用户电脑当前运行哪些程序，是不可控的，如果要是手动指定端口，说不好这个端口就和其他程序冲突了，导致咱们的代码无法运行。

public UDPEchoClient() throws SocketException {
    //客户端的端口号，一般都是由操作系统自动分配的，虽然手动指定也行，习惯上还是自动分配比较好
    socket = new DatagramSocket();
}
  • 让客户端从控制台获取一个请求数据
System.out.println("> ");
String request = scanner.next();
  • 把这个字符串请求发送给服务器，构造 DatagramSocket，构造的 Packet 既要包含 要传输的数据，又要包含把数据发送到哪里（另外一种 DatagramPacket 的构造方法）
DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"),8000);

InetAddress.getByName(“127.0.0.1”) -> 通过这个字符串来构造的 InetAddress，此处的 127.0.0.1 回环 IP 就表示当前主机。
 
8000 -> 服务器端口号

这个包裹，就是要从客户端发送给服务器，就需要知道，发送的内容，以及发送的目的地是哪里（收件人地址 + 端口）

目前已经见过三个版本的 DatagramPacket 的构造:

  • 只填写缓冲区，用来接收数据的，一个是空的 Packet
  • 填写缓冲区，并且填写把包发给谁，InetAddress 对象来表示的
  • 填写缓冲区，并且填写把包发给谁，InetAddress + port 来表示的
  • 把数据报发送给服务器
socket.send(requestPacket);
  • 从服务期读取响应数据
DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
socket.receive(responsePacket);
  • 把响应数据获取出来，转成字符串
String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());

System.out.printf("req: %s;resp: %s\n",request,response);

客户端总代码：

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

public class UDPEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;

    public UDPEchoClient() throws SocketException {
        //客户端的端口号，一般都是由操作系统自动分配的，虽然手动指定也行，习惯上还是自动分配比较好
        socket = new DatagramSocket();
    }

    public void start() throws IOException {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true){
            //1. 让客户端从控制台获取一个请求数据
            System.out.println("> ");
            String request = scanner.next();

            //2. 把这个字符串请求发送给服务器，构造 DatagramSocket
            //构造的 Packet 既要包含 要传输的数据，又要包含把数据发送到哪里
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"),8000);

            //3. 把数据报发送给服务器
            socket.send(requestPacket);

            //4. 从服务期读取响应数据
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(responsePacket);

            //5. 把响应数据获取出来，转成字符串
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());

            System.out.printf("req: %s;resp: %s\n",request,response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UDPEchoClient client = new UDPEchoClient();
        client.start();
    }
}

⛺️3. 理清楚客户端和服务器的工作流程：

  1. 客户端根据用户输入，构造请求

在这里插入图片描述

  1. 客户端把请求发送给服务器

在这里插入图片描述

  1. 服务器读取请求并解析

在这里插入图片描述

  1. 服务器根据请求计算响应（服务器核心逻辑）

在这里插入图片描述

  1. 服务器构造响应数据，并且返回给客户端

在这里插入图片描述

  1. 客户端读取服务器返回的响应

在这里插入图片描述

  1. 客户端解析响应，并显示给用户

在这里插入图片描述

整体效果演示：

  • 先启动服务器，再启动客户端

客户端中输入一个hello：

在这里插入图片描述

在服务器中：

在这里插入图片描述

继续在客户端中输入一个你好：

在这里插入图片描述

服务器中显示：

在这里插入图片描述

一个服务器是可以同时给多个客户端提供服务的

如在 IDEA 中，你想打开多个客户端，你发现你再运行一次客户端，就会把之前的客户端给关闭了，此时我们需要设置一下，就可以启动多个客户端。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

此时我们就可以打开多个客户端了

在这里插入图片描述

一个服务器灵魂所在，就是大体框架是一样的，比如这个回显服务器，我们要改成带有业务逻辑的服务器，只需要把 process 改掉即可，如我们简单实现一个词典

import java.io.IOException;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

//字典服务器 / 翻译服务器
    //希望实现一个英译汉的效果
    //请求的是一个英文单词，响应是对应的中文翻译
public class UDPDicServer extends UDPEchoServer{
    private Map<String, String> dic = new HashMap<>();

    public UDPDicServer(int port) throws SocketException {
        super(port);

        //这里的数据可以无限的构造下去
        //即使是有道词典这种，也是类似的方法实现（打表）
        dic.put("cat","小猫");
        dic.put("dog","小狗");
        dic.put("fuck","卧槽");
    }

    //和 UDPEchoServer 相比，只是 process 不同，就重写这个方法即可
    public String process(String req){
        return dic.getOrDefault(req,"这个词俺也不会!");
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UDPDicServer server = new UDPDicServer(8000);
        server.start();
    }
}

在这里插入图片描述

一个服务器要完成的工作，都是通过 “根据请求计算响应” 来体现的

不管是啥样的服务器，读取请求并解析，构造响应并返回，这两个步骤，大同小异，唯有 “根据请求计算响应” 是千变万化，是非常复杂的，可能一次处理请求就要几w，几十w的代码来完成。

拓展：
 
在 DatagramSocket 中有 send，receive 和 close。只有 send 和 receive 写进去了，close 却没有写进去，原因是在上述代码中 socket对象，生命周期都是应该伴随着整个进程的（while(true) 循环），因此进程结束之前，提前用 close 关闭 socket 对象，不合适，当进程已经结束，对应 PCB 没了，PCB 上面的文件描述符表也没了，此时也就相当于关闭了。


http://www.niftyadmin.cn/n/225935.html

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