网络编程（TCP、UDP）

一、概念

首先介绍了什么是网络编程，随后介绍了接收端发送端、请求响应等基本知识

1.1 什么是网络编程

网络编程：
（1）网络上的主机，通过不同的进程，以编程的方式实现网络通信（或称为网络数据传输）。（2）在程序员层面上，即要写一个应用程序通过调用传输层提供的API实现网络通信

1.2 网络编程中的基本知识

1. 发送端和接收端：字面意思，发送端是发送数据的，接收端是接收数据的，注意这个概念只是相对的，主要看数据是从哪发到哪。

2. 请求和响应：
   一般来说，获取一个网络资源，涉及到两次网络数据传输：

   • 第一次：请求数据的发送
   • 第二次：响应数据的发送

3. 客户端和服务器
   服务端：在常见的网络数据传输场景下，给用户提供服务的一方进程
   客户端：获取服务的一方进程，是指给用户使用的程序

4. 常见的客户端服务端模型

   • 客户端先发送请求到服务端
   • 服务端根据请求数据，执行相应的业务处理
   • 服务端返回响应：发送业务处理结果
   • 客户端根据响应数据，展示处理结果（展示获取的资源，或提示保存资源的处理结果）

二、Socket套接字

网络编程是基于Socket开发的，传输层上主要涉及TCP、UDP这两种协议，而他俩给出的API都不同，本段主要介绍概念，包括分类和区别。

2.1 概念及分类

（1）Socket套接字，是由系统提供用于网络通信的技术，是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程。

（2）Socket套接字主要针对传输层协议划分为如下三类：

1. 流套接字：传输层TCP协议（传输控制协议）
2. 数据报套接字：传输层UDP协议（用户数据报协议）
3. 原始套接字：原始套接字用于自定义传输层协议，用于读写内核没有处理的IP协议数据

2.2 TCP VS UDP

TCP：有连接；可靠传输；面向字节流；有接收缓冲区和发送缓冲区；大小不限；全双工
UDP：无连接；不可靠传输；面向数据报；有接收缓冲区，无发送缓冲区；大小受限，一次最多传输64k

1. 连接：客户端和服务器之间是否使用内存保存对端信息，互相承认，连接就建立了。
2. 传输：
   • 可靠传输：A尽可能把消息传过去，传输失败与否都能感知到，会降低传输效率。不可靠传输传输效率更高
   • 注意：这并不意味着，TCP比UDP更安全，因为“网络安全”指的是传输的数据是否容易被黑客截获，以及如果被截获后是否会泄漏一些重要信息
3. 字节流VS数据报：
   • 面向字节流：TCP流式操作
   • 面向数据报：读写的基本单位是一个UDP数据报，且一次只能传输一个
4. 全双工VS半双工
   • 全双工：一个通道，可以双向通信。网线就是全双工的
   • 半双工：一个通道，只能单向通信

2.3 通信模型

数据报套接字模型：

流套接字模型：

2.4 接口方法

UDP数据报套接字编程

UDP提供的API主要通过两个类来实现，一个是DatagramSocket，一个是DatagramPacket。

DatagramSocket 方法：代表一个Socket对象，即一个网卡的文件
DatagramPacket 方法：代表一个UDP数据报

TCP流套接字编程

因为TCP是字节流式传输，所以不需要一个专门的类来表示TCP数据报

ServerSocket 方法：
（1）给服务器使用的
（2）负责拉客，在外场广撒网。

Socket 方法：
（1）服务端和客户端都能用
（2）像是一个耳麦，可以直接与对方进行通信，负责在内场细致服务。

三、代码示例

3.1 注意点

1. 服务器使用的端口需要手动指定，客户端的则需要系统自动分配
   • 因为服务器需要能被客户端百分百找到，万一服务器随便改变端口，那客户端按照以往的连接是无法连接到服务器的。
   • 客户端则没有这个需求，且客户端一旦指定端口号很可能回合其他程序冲突，系统自动分配的端口号一定是空闲的。
2. flush() ------ 手动刷新
   • IO操作是比较有开销的，相比于访问内存，进行IO次数越多，程序的速度就越慢。为了解决这个问题，我们会使用一块内存作为缓冲区，写数据的时候，先写到缓冲区里。攒了一波数据之后，统一进行IO。
   • printWriter 内置了缓冲区
   • flush()可以实现手动刷新，可以确保这里的数据是真的通过网卡发出去了，而不是残留在内存缓冲区中的
   • 加上flush()可以让代码更稳妥，但是不加不一定会出错，因为缓冲区内置了一定的刷新策略
3. 关于 close()
   close() 主要是删除文件描述符表中的记录。当然也并不是每个流对象都有文件描述符表，只有那种调用了操作系统提供的open()方法，涉及到了用户态和用户态。

3.2 回显服务器

基于UDP

（1）InetAddress 表示的是IP地址
（2）客户端要设置要传给的服务器的IP地址和端口号是多少，即示例中的 serverIp 和 serverPort 。服务器则是要手动指定一个端口号。
（3）难点在于 DatagramPacket 的构造，涉及了String 和 DatagramPacket 之间的转换。
（4）数据包的接收和发送，依靠 DatagramSocket 的 send 和 receive 方法。

//客户端
public class UdpEchoClient {private DatagramSocket socket = null;private String serverIp;private int serverPort;public UdpEchoClient(String ip, int port) throws SocketException {serverIp = ip;serverPort = port;socket = new DatagramSocket();}public void start() throws IOException {//获取用户输入的内容Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("客户端启动！");//给服务器发送响应while (true){System.out.print("-> ");String request = scanner.next();//不能用request.length()，因为这是指字符长度，我们需要的是字节长度//除非是纯英文且由utf-8编码，那么两者会相同。Socket是按照字节来处理的。DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,InetAddress.getByName(serverIp), serverPort);socket.send(requestPacket);//接收响应DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(responsePacket);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();}
}

//服务器
public class UdpEchoServer {private DatagramSocket socket = null;public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {socket = new DatagramSocket(port);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务器启动");while(true){DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);socket.receive(requestPacket);String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());String response = process(request);DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,requestPacket.getSocketAddress());socket.send(responsePacket);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 server= new UdpEchoServer(9090);server.start();}
}

基于TCP

1. 服务器对客户是多对多的关系，一个服务器内核会存许多客户端的连接（建立连接的过程，系统内核会自己完成）。连接就像是一个个代办事项，等待应用程序一个个完成。
2. serverSocket.accept()：将在内核中已经建立好的连接取出来给应用程序
3. 原理是一个【生产者消费者模型】
   
4. TCP中的长短连接
   • 短连接：每次接收到数据并返回响应后，都关闭连接，即只能一次收发数据
   • 长连接：不关闭连接，一直保持连接状态，双方不停的收发数据

public class TcpServer {private ServerSocket socket = null;private ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();public TcpServer(int port) throws IOException {socket = new ServerSocket(9090);}public void start() throws IOException {System.out.println("服务端启动！");while (true){Socket clientSocket = socket.accept();//为了能够接收多个客户端，这里使用了线程池//当客户端进一步增加，线程数目也会增加，系统的负担也就越来越重，响应速度也就越来越慢//为了解决这个问题，就需要开源（引入更多的硬件资源）节流（减少每种硬件资源占用的资源）service.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {processConnection(clientSocket);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}});}}public void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){while(true){Scanner scannerClient = new Scanner(inputStream);String request = scannerClient.next();String response = process(request);PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);writer.println(response);writer.flush();System.out.printf("[%s:%d] req:%s, resp:%s\n", clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort(), request, response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}finally {clientSocket.close();}}public String process(String request){return request;}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpServer server = new TcpServer(9090);server.start();}
}

public class TcpClient {private Socket socket = null;public TcpClient(String serverIp, int serverPort) throws IOException {socket = new Socket(serverIp, serverPort);}public void start(){System.out.println("客户端启动");Scanner scanner = new Scanner(System.in);try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){while (true){System.out.print("---->");String request = scanner.next();PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);writer.println(request);writer.flush();Scanner scammerConsole = new Scanner(inputStream);String response = scammerConsole.next();System.out.println(response);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}public static void main(String[] args) throws IOException {TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 9090);client.start();}
}