TCP和UDP的实现

1.网络编程入门
- 1.1软件架构CS／BS
- 1.2网络通信协议
- 1.3 协议分类
- 1.4 网络编程三要素
2.TCP通讯实现
- 2.1简单的TCP网络程序
3.UDP通信程序
- 3.1简单的UDP网络程序
TCP与UDP对比

1.网络编程入门

1.1软件架构CS／BS

C/S结构 ：全称为Client/Server结构，是指客户端和服务器结构。常见程序有ＱＱ、迅雷等软件。

B/S结构 ：全称为Browser/Server结构，是指浏览器和服务器结构。常见浏览器有谷歌、火狐等。

1.2网络通信协议

**网络通信协议：**通过计算机网络可以使多台计算机实现连接，位于同一个网络中的计算机在进行连接和通信时需要遵守一定的规则，这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样。在计算机网络中，这些连接和通信的规则被称为网络通信协议，它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定，通信双方必须同时遵守才能完成数据交换。

TCP/IP协议： 传输控制协议/因特网互联协议( Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，是Internet最基本、最广泛的协议。它定义了计算机如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。它的内部包含一系列的用于处理数据通信的协议，并采用了4层的分层模型，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。

上图中，TCP/IP协议中的四层分别是应用层、传输层、网络层和链路层，每层分别负责不同的通信功能。
链路层：链路层是用于定义物理传输通道，通常是对某些网络连接设备的驱动协议，例如针对光纤、网线提供的驱动。
网络层：网络层是整个TCP/IP协议的核心，它主要用于将传输的数据进行分组，将分组数据发送到目标计算机或者网络。
运输层：主要使网络程序进行通信，在进行网络通信时，可以采用TCP协议，也可以采用UDP协议。
应用层：主要负责应用程序的协议，例如HTTP协议、FTP协议等。

1.3 协议分类

java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持：

UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)。UDP是无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据。

由于使用UDP协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输例如视频会议都使用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。

但是在使用UDP协议传送数据时，由于UDP的面向无连接性，不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议。UDP的交换过程如下图所示。

特点:数据被限制在64kb以内，超出这个范围就不能发送了。

数据报(Datagram):网络传输的基本单位

TCP：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。TCP协议是面向连接的通信协议，即传输数据之前，在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。

在TCP连接中必须要明确客户端与服务器端，由客户端向服务端发出连接请求，每次连接的创建都需要经过“三次握手”。
- 三次握手：TCP协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可靠。
  - 第一次握手，客户端向服务器端发出连接请求，等待服务器确认。
  - 第二次握手，服务器端向客户端回送一个响应，通知客户端收到了连接请求。
  - 第三次握手，客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接。整个交互过程如下图所示。
    
    完成三次握手，连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性，TCP协议可以保证传输数据的安全，所以应用十分广泛，例如下载文件、浏览网页等。

1.4 网络编程三要素

协议，IP地址，端口号；

2.TCP通讯实现

TCP通信能实现两台计算机之间的数据交互，通信的两端，要严格区分为客户端（Client）与服务端（Server）。

两端通信时步骤：

服务端程序，需要事先启动，等待客户端的连接。
客户端主动连接服务器端，连接成功才能通信。服务端不可以主动连接客户端。

在Java中，提供了两个类用于实现TCP通信程序：

客户端：java.net.Socket 类表示。创建Socket对象，向服务端发出连接请求，服务端响应请求，两者建立连接开始通信。
服务端：java.net.ServerSocket 类表示。创建ServerSocket对象，相当于开启一个服务，并等待客户端的连接

2.1简单的TCP网络程序

交互过程

代码简洁实现：
TCPClient

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
/*TCP通信的客户端:向服务器发送连接请求,给服务器发送数据,读取服务器回写的数据表示客户端的类:java.net.Socket:此类实现客户端套接字（也可以就叫“套接字”）。套接字是两台机器间通信的端点。套接字:包含了IP地址和端口号的网络单位构造方法:Socket(String host, 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。参数:String host:服务器主机的名称/服务器的IP地址int port:服务器的端口号成员方法:OutputStream getOutputStream() 返回此套接字的输出流。InputStream getInputStream() 返回此套接字的输入流。void close() 关闭此套接字。实现步骤:1.创建一个客户端对象Socket,构造方法绑定服务器的IP地址和端口号2.使用Socket对象中的方法getOutputStream()获取网络字节输出流OutputStream对象3.使用网络字节输出流OutputStream对象中的方法write,给服务器发送数据4.使用Socket对象中的方法getInputStream()获取网络字节输入流InputStream对象5.使用网络字节输入流InputStream对象中的方法read,读取服务器回写的数据6.释放资源(Socket)注意:1.客户端和服务器端进行交互,必须使用Socket中提供的网络流,不能使用自己创建的流对象2.当我们创建客户端对象Socket的时候,就会去请求服务器和服务器经过3次握手建立连接通路这时如果服务器没有启动,那么就会抛出异常ConnectException: Connection refused: connect如果服务器已经启动,那么就可以进行交互了*/
import java.net.UnknownHostException;
public class TCPClient {public static void main(String[] args) throws Exception {//1.创建链接Socket socket=new Socket("127.0.0.1",6666);//2.创建对象OutputStream os = socket.getOutputStream();//3.写数据os.write("你好，服务器！".getBytes());//4.读服务器端数据InputStream is = socket.getInputStream();//4.一次性读取数据--创建字节数组byte[] b=new byte[1024];int len=is.read(b);System.out.println(new String(b,0,len));//6.关闭流is.close();socket.close();     }
}

TCPService

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;/*
TCP通信的服务器端:接收客户端的请求,读取客户端发送的数据,给客户端回写数据
表示服务器的类:java.net.ServerSocket:此类实现服务器套接字。构造方法:ServerSocket(int port) 创建绑定到特定端口的服务器套接字。服务器端必须明确一件事情,必须的知道是哪个客户端请求的服务器
所以可以使用accept方法获取到请求的客户端对象Socket
成员方法:Socket accept() 侦听并接受到此套接字的连接。服务器的实现步骤:1.创建服务器ServerSocket对象和系统要指定的端口号2.使用ServerSocket对象中的方法accept,获取到请求的客户端对象Socket3.使用Socket对象中的方法getInputStream()获取网络字节输入流InputStream对象4.使用网络字节输入流InputStream对象中的方法read,读取客户端发送的数据5.使用Socket对象中的方法getOutputStream()获取网络字节输出流OutputStream对象6.使用网络字节输出流OutputStream对象中的方法write,给客户端回写数据7.释放资源(Socket,ServerSocket)
*/
public class TCPServer {public static void main(String[] args) throws Exception {//1.创建套接字ServerSocket ss=new ServerSocket(6666);//2.获取请求的客户端对象SocketSocket socket = ss.accept();//3.读客户端数据InputStream is = socket.getInputStream();//4.一次性读取数据--创建字节数组byte[] b=new byte[1024];int len=is.read(b);System.out.println(new String(b,0,len));// =================回写数据=======================// 5. 通过 socket 获取输出流OutputStream out = socket.getOutputStream();out.write("接受到链接请求，你好客户端！".getBytes());//关is.close();socket.close();    }
}

3.UDP通信程序

以广播的形式传递信息。

UDP协议：
传输层协议
无连接
不可靠
面向数据报

在Java中，提供了DatagramSocket类用于实现UDP通信程序：
1.public class DatagramSocket
此类表示用来发送和接收数据报包的套接字。
void receive(DatagramPacket p)
从此套接字接收数据报包。当此方法返回时，DatagramPacket 的缓冲区填充了接收的数据。
数据报包也包含发送方的 IP 地址和发送方机器上的端口号。
void send(DatagramPacket p)
从此套接字发送数据报包。DatagramPacket 包含的信息指示：
将要发送的数据、其长度、远程主机的 IP 地址和远程主机的端口号。

3.1简单的UDP网络程序

发送端：广播数据
实现步骤：
1.创建数据报套接字
2.创建数据报
3.发送数据报 send()方法
4.释放资源

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;
import java.net.UnknownHostException;/*1.public class DatagramSocket此类表示用来发送和接收数据报包的套接字。 void receive(DatagramPacket p) 从此套接字接收数据报包。当此方法返回时，DatagramPacket 的缓冲区填充了接收的数据。数据报包也包含发送方的 IP 地址和发送方机器上的端口号。void send(DatagramPacket p) 从此套接字发送数据报包。DatagramPacket 包含的信息指示：将要发送的数据、其长度、远程主机的 IP 地址和远程主机的端口号。 2.public final class DatagramPacket此类表示数据报包。 数据报包用来实现无连接包投递服务。每条报文仅根据该包中包含的信息从一台机器路由到另一台机器。从一台机器发送到另一台机器的多个包可能选择不同的路由，也可能按不同的顺序到达。不对包投递做出保证。 构造方法：DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port) 构造数据报包，用来将长度为 length 的包发送到指定主机上的指定端口号。3.实现步骤：1.创建数据报套接字2.创建数据报3.发送数据报 send()方法4.释放资源*/
public class UDPSender {   //发送端public static void main(String[] args) throws IOException {//1.创建数据报套接字DatagramSocket ds=new DatagramSocket();//2.创建数据报,构造方法需要四个参数byte[] buf=new byte[1024];buf="Udp,你好！".getBytes();int len=buf.length;InetAddress address=InetAddress.getByName("127.0.0.1");int port=7777;DatagramPacket dp=new DatagramPacket(buf,len,address,port);//3.发送数据报 send()方法ds.send(dp);//4.释放资源ds.close();}}

接收数据端：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;/*** 步骤：* 1.创建一个数据报套接字，开放端口和发送端一致* 2.创建一个数据报，接受数据报* 3.调用数据报套接字的receive()方法接受数据报* 4.去除数据报里的数据，还可以取出数据报的发送方的InetAddress* 5.显示数据，释放资源* @author nadou**/
public class UDPReceiver {public static void main(String[] args) throws IOException {//1.创建一个数据报套接字，开放端口和发送端一致DatagramSocket ds=new DatagramSocket(7777);//2.创建一个数据报，接受数据报byte[] buf=new byte[1024];DatagramPacket dp=new DatagramPacket(buf, buf.length);// 3.调用数据报套接字的receive()方法接受数据报ds.receive(dp);   //阻塞String str = new String(dp.getData(),0,dp.getLength());String address = dp.getAddress().getHostAddress();System.out.println("from:"+address+": "+str);ds.close();}}

TCP与UDP对比

虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确，但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为
对数据准确性要求高，速度可以相对较慢的，可以选用TCP

参考：
黑马程序员网络编程：https://www.bilibili.com/video/BV144411X79Q?p=10