UDP数据包和TCP数据包的区别；网络编程套接字；不同协议的回显服务器

目录

一、UDP 数据包与 TCP 数据包的区别：

 连接方面：

传输方面：

面向对象：

双工模式：

二、UDP 网络编程套接字；基于 UDP 协议的回显服务器：

1. UDP 数据报套接字核心类

DatagramSocket ：

DatagramPacket ：

2.基于 UDP 协议的回显服务器

服务器：

客户端：

继承 EchoServer 服务器的带有查询单词功能的服务器：

三、TCP 网络编程套接字；基于 TCP 协议的回显服务器：

1.TCP 数据报套接字核心类

ServerSocket：

Socket：

2.基于 TCP 协议的回显服务器

服务器：

客户端：

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一、UDP 数据包与 TCP 数据包的区别：

 连接方面：

        UDP：是无连接协议。它不需要事先建立连接就可以直接发送数据，就像写信一样，直接把信寄出去，不需要先和对方打招呼说要寄信了。

        TCP：是面向连接的协议。在数据传输之前，需要在发送端和接收端之间建立一条连接，就像打电话一样，先拨号建立连接，然后才能进行数据传输。这个连接建立的过程通过三次握手来完成，确保双方都做好了数据传输的准备。

类比示例：

        UDP： 就像发短信直接发送，无需确认对方是否在线。

        TCP： 就像打电话一样，需要先拨号接通后，再通话。

传输方面：

        UDP：是不可靠传输。UDP 不确保数据一定能到达接收端，也不确保数据的顺序和完整性，它只是将数据包发送出去，不关心是否被成功接收。

        TCP：是可靠传输。他通过确认机制、重传机制等保证数据能够u准确无误地到达接收端。如果数据包在传输过程中丢失或损坏，TCP 会自动重传，确保数据的完整性和顺序性。

使用示例：

        UDP：直播和在线大型游戏大多数都是用了 UDP 数据包协议,允许少量丢包，或者但要求低延迟。

        TCP：文件传输必须确保每个字节正确到达。

面向对象：

        UDP：面向数据报，数据以独立数据包为单位传输，每个包有明确的边界，且接收方一次读取一个完整的数据包。

        TCP：面向字节流。他把引用程序交下来的数据看成是一连串的无结构的字节流，就像流水一样，TCP 会按照顺序将这些字节流发送出去，并在接收端按照同样的顺序还原。

双工模式：

        UDP：支持全双工通信。同一时间内，数据在两个方向上进行运输，发送端和接收端可以同时发送和接收 UDP 数据包。

        TCP：支持全双工通信。在同一连接中，数据可以同时在两个方向上进行传输，即发送端和接收端可以同时发送和接收数据，就像两个人同时打电话，双方都可以说话和倾听。

二、UDP 网络编程套接字；基于 UDP 协议的回显服务器：

1. UDP 数据报套接字核心类

DatagramSocket ：

          这个类用于发送和接收 UDP 数据报的套接字。（类似于车辆，负责发送和接收数据报）

DatagramSocket 构造方法：

方法签名	参数说明	用途
DatagramSocket（ ）	无参数	绑定到本机的任意一个随机端口（一般用于客户端）
DatagramSocket（int port ）	port : 绑定的端口号	绑定到本机指定的端口（一般用于服务端）

DatagramSocket 实例方法：

方法	参数说明	用途
receive（ DatagramPacket  p ）	p : 接收数据包的容器	用于接收数据报（如果没有接收到数据报，该方法会阻塞等待）
send（ DatagramPacket  p ）	p : 要发送的数据包	用于发送数据包（不会阻塞等待，直接发送 UDP 数据报）
close（ ）	无	关闭数据报套接字

DatagramPacket ：

         这个类用于封装 UDP 数据报的容器。（类似于车辆上的包裹，负责存储要运输的数据包）

DatagramPacket 构造方法：（接收用）

DatagramPacket(byte[] buf,int length)

        构造一个 DatagramPacket 以用于接收数据报，接收的数据保存在一个字节数组 buf 中，和最多接收的字节数 length 。

DatagramPacket 构造方法：（发送用）

//第一种
DatagramPacket(byte[] buf,int offset,int length,InetAddress address, int port)//第二种
DatagramPacket(byte[] buf,int offset,int length,SocketAddress address)

         构造一个 DatagramPacket 以用于发送数据报，要发送数据在字节数组 buf 中，从 偏移量 offset 开始，发送 length 个长度。

        InetAddress 是一个具体类，可以直接实例化。SocketAddress 是一个抽象类，不能直接实例化，需要借助它的具体子类（ InetSocketAddress）来创建对象。

        第一种方法的 address 可以这么构造：

InetAddress address = InetAddress.getByName("目标地址");

      第二种方法的 address 可以这么构造：

SocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("目标地址", 端口号);

DatagramPacket 实例方法：

方法	说明
getAddress（ ）	从接收的数据报中，获取发送端主机的 ip 地址；或从发送的数据报中，获取接收端主机IP地址
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
getSocketAddress ( )	获取发送方或接收方的套接字地址，返回一个 SocketAddress 对象（上面的DatagramPacket 构造方法：（发送用）有一个参数SocketAddress address 就是这个，DatagramPacket.getSocketAddress() 方法能够获取到包含 IP 地址和端口号的信息）

2.基于 UDP 协议的回显服务器

服务器：

public class EchoServer {//创建 socket 对象private DatagramSocket socket;//构造方法public EchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}//启动服务器，完成主要的业务逻辑public void start() throws IOException {System.out.println();System.out.println("服务器启动！");//服务器24小时不间断的服务while(true) {//一、读取请求并解析//1.创建一个空白的 DatagramPacket 对象DatagramPacket reqPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);//2.通过 receive 读取网卡的数据，如果网卡没有收到数据，就会阻塞等待。socket.receive(reqPacket);//3.把 DatagramPacket 中的数据解析成字符串，只需要从 DatagramPacket 取到有效的数据即可。String request = new String(reqPacket.getData(),0,reqPacket.getLength());//二、根据请求计算响应String response = process(request);//三、把响应写回到客户端//1.把响应构造成 DatagramPacket 对象DatagramPacket resPacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,//获取到发送方的 IP 地址和端口号reqPacket.getSocketAddress());//2.把 DatagramPacket 写回到客户端。socket.send(resPacket);//四、打印日志System.out.printf("[%s:%d] req:%s, resp:%s\n",reqPacket.getAddress(), reqPacket.getPort(), request, response);}}//由于这里实现的是 “ 回显服务器 ” ，所以响应和请求是一样的，这里直接返回请求即可。private String process(String request) {return request;}//启动服务器public static void main(String[] args) throws IOException {EchoServer server = new EchoServer(9090);server.start();}}

        所以可以看到服务器处理的基本流程是：先构造一个 DatagramSocker 对象实例用于发送数据包。DatagramSocker 读取请求之前先构造一个用于读取数据报的 DatagramPacket 对象，经过处理后，再新构造一个用于发送数据报的 DatagramPacket 对象，再通过 DatagramSocker 对象实例发送数据包。

客户端：

public class EchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;// 初始化服务器的 ip 和 服务器的端⼝.public EchoClient(String serverIp, int serverPort) throws SocketException {this.serverIp = serverIp;this.serverPort = serverPort;// 这个 new 操作, 就不再指定客户端的端⼝了. 让系统⾃动分配⼀个空闲端⼝.socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("客户端启动！");while(true) {//一、从控制台读取用户输入的内容System.out.print("> ");String request = scanner.next();//二、构造成 UDP 请求，并发送，不光要填内容, 还要填服务器的地址和端口.DatagramPacket reqPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,//要发送的服务器的 ip 和 端口InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);socket.send(reqPacket);//三、读取服务器的响应。DatagramPacket respPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);socket.receive(respPacket);String response = new String(respPacket.getData(), 0, respPacket.getLength());//四、把响应显示到控制台。System.out.println(response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoClient echoClient = new EchoClient("127.0.0.1",9090);echoClient.start();}
}

        所以可以看到客户端基本流程是：先构造一个 DatagramSocker 对象实例用于发送数据包。DatagramSocker 发送请求之前先构造一个用于发送数据报的 DatagramPacket 对象，经过服务器处理后，客户端读取返回结果之前，再新构造一个用于读取数据报的 DatagramPacket 对象，处理结果后打印在控制台上。

继承 EchoServer 服务器的带有查询单词功能的服务器：

//继承 EchoServer 类
public class DictServer extends EchoServer{//使用哈希表，查询更快private Map<String,String> map = new HashMap<>();public DictServer(int port) throws SocketException {super(port);map.put("cat", "小猫");map.put("dog", "小狗");map.put("pig", "小猪");map.put("bird", "小鸟");map.put("sheep", "小羊");map.put("cow", "小牛");map.put("chicken", "小鸡");map.put("rabbit", "小兔子");map.put("fish", "小鱼");map.put("wolf", "狼");map.put("monkey", "猴子");map.put("tiger", "老虎");map.put("lion", "狮子");//......}//重写父类的 process 方法@Overridepublic String process(String request) {return map.getOrDefault(request,"没有查到该单词！");}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoServer server = new DictServer(9090);server.start();}
}

        通过继承 EchoServer 这个类后，调用 process 方法会使用子类也就是  DictServer 这个类重写的 process 方法。

        要注意的是， DictServer 继承 EchoServer 这个类 ，重写 process 方法之前，要把EchoServer 这个类process 这个方法改成 公有的方法（public）。

三、TCP 网络编程套接字；基于 TCP 协议的回显服务器：

1.TCP 数据报套接字核心类

ServerSocket：

        ServerSocke 类是专门给服务器用的。它的主要作用是监听指定端口，等待客户端的连接请求。一旦有客户端连接，就会创建一个新的 Socket 对象来与客户端进行通信。

ServerSocket 构造方法：

ServerSocket serverscoket = new ServerSocket(int port);

port 是服务器的端口号。

ServerSocket 实例方法：

accept()	监听并接受到此套接字的连接。该方法会阻塞，直到有客户端连接进来，然后返回一个 Socket 对象，用于与客户端进行通信。
close()	关闭此服务器套接字。

Socket：

        Socket 类用于表示客户端套接字，也就是和服务器建立连接后客户端用来与服务器进行通信的对象。它可以实现与服务器之间的数据读写操作。

  Socket 构造方法：

Socket socket = new Socket(String IP,int port);

创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号。IP 是服务器的 IP 地址或主机名，port 是服务器监听的端口号。

Socket 实例方法：

getInputStream( )	返回此套接字的输入流，用于从服务器读取数据，返回流对象是InputStream
getOutputStream( )	返回此套接字的输出流，用于向服务器发送数据，返回流对象是OutputStream

2.基于 TCP 协议的回显服务器

服务器：

public class EchoServer {private ServerSocket serverSocket;public EchoServer(int port) throws IOException {//服务器启动，就会绑定到 port 端口上面。serverSocket = new ServerSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器上线！");while(true) {//接收一个客户端请求Socket socket = serverSocket.accept();//一个线程处理一个连接，这样服务器可以被多个客户端连接。Thread t = new Thread(() -> {this.processCoonection(socket);});t.start();}}//处理一个客户端/一个连接的逻辑.private void processCoonection(Socket socket) {System.out.printf("[%s:%d] 客户端上线！\n",socket.getInetAddress().toString(),socket.getPort());//实现通信的代码逻辑//获取与客户端连接的输入流和输出流try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {//创建一个 Scanner 对象，用它从输入流 inputStream 读取客户端发送的请求数据Scanner scanner = new Scanner(inputStream);//创建一个 PrintWriter 对象，利用它把响应数据写入输出流 outputStreamPrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);while(true) {//一、读取请求并解析。if(!scanner.hasNext()) {// 针对客户端下线逻辑的处理. 如果客户端断开连接了 (比如客户端结束了)// 此时 hasNext 就会返回 falseSystem.out.printf("[%s:%d] 客户端下线！\n", socket.getInetAddress().toString(), socket.getPort());break;}String request = scanner.next();//二、根据请求计算响应。String response = process(request);//三、把响应写回客户端。writer.println(response);//刷新缓冲区writer.flush();System.out.printf("[%s:%d] req: %s; resp: %s\n", socket.getInetAddress().toString(), socket.getPort(), request, response);}} catch(IOException e) {e.printStackTrace();} finally {try {//防止文件资源泄露socket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}//这里由于是回显服务器，直接返回结果。private String process(String request) {return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoServer echoServer = new EchoServer(9090);echoServer.start();}
}

        在上面的这段代码 this.processCoonection(socket); 要加上 this ，因为processCoonection方法是EchoServer 的一个实例方法，这意味着只有 EchoServer 类的对象实例才能调用这个方法。

        而 this 在这里就起到了确定 “到底是哪个对象实例要调用 processCoonection 方法” 的作用。因为我们是在 EchoServer 类的一个实例方法 start 里面创建的这个线程，所以 this 指向的就是调用 start 方法的那个 EchoServer 对象实例（比如前面创建的 echoServer  实例）。

        还有，这里涉及到了变量捕获， this.processCoonection(socket)；里传入的 socket 。

        当使用 Lambda 表达式或者匿名内部类时，如果在其内部引用了外部作用域的局部变量，就会发生变量捕获。被捕获的变量必须是 final 或者事实 final （即初始化后值不会再改变）。

        每次循环都会创建一个新的 socket 对象。在 Lambda 表达式中使用 socket 时，实际上捕获了当前循环中 socket 变量的值。所以 Lambda 表达式需要捕获当前 socket 变量的值，以便在其执行时能够正确访问到对应的 socket 对象。

        this 同样也被捕获了。在 Lambda 表达式中使用 this.processCoonection(socket);，这里的 this 指向当前 EchoServer 类的实例。由于 Lambda 表达式会在新的线程中执行，为了在该线程中能够调用当前 EchoServer 实例的 processCoonection 方法，this 引用也被捕获了。

服务器这里要注意三个问题：

1、要使用 flush 方法刷新缓冲区。

         Java 的输入输出操作里，缓冲区是系统为了提升数据读写效率而设立的一块内存区域。当程序向输出流写入数据时，数据不会马上被发送到目标设备（如网络另一端的服务器），而是先被存到缓冲区里。等缓冲区满了，或者满足特定条件时，系统才会把缓冲区里的数据一次性发送出去。同理，当从输入流读取数据时，数据会先被读到缓冲区，程序再从缓冲区读取。

        所以，我们这个服务器数据比较少，数据会一直停留在缓冲区里，如果不刷新缓冲区，服务器可能无法及时收到数据，从而影响程序的正常交互。

2、要关闭 Socket 对象。

    Socket 对象在使用过程中会占用系统的网络资源、文件描述符等。如果不关闭，这些资源就无法被释放，会导致资源泄漏。随着程序运行时间的增加，不断累积的资源泄漏可能会耗尽系统资源，影响系统的正常运行，甚至导致系统崩溃。

客户端：

public class EchoClient {private Socket socket;public EchoClient(String serverIP, int serverPort) throws IOException {// 在 new 这个对象的时候就涉及到 "建立连接操作"// 由于连接建立好了之后, 服务器的信息就在操作系统中被 TCP 协议记录了. 我们在应用程序层面上就不需要保存 IP 和 端口.socket = new Socket(serverIP,serverPort);}public void start() {System.out.println("客户端上线！");Scanner scanner = new Scanner(System.in);// //获取与服务器连接的输入流和输出流try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) {//创建一个 Scanner 对象，用它从输入流 inputStream 读取服务器返回的数据Scanner scannerNet = new Scanner(inputStream);//创建一个 PrintWriter 对象，利用它把请求数据发送给服务器PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);while(true) {//一、从控制台读取用户的输入。System.out.print(">");String request = scanner.next();//二、构造请求发送给服务器writer.println(request);//刷新缓冲区writer.flush();//三、读取服务器的响应。if(!scannerNet.hasNext()) {System.out.println("服务器断开连接！");break;}String response = scannerNet.next();//四、把响应显示到控制台上System.out.println(response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws IOException {EchoClient echoClient = new EchoClient("127.0.0.1",9090);echoClient.start();}
}