【网络编程】UDP

【网络编程】UDP 2023-04-16 556

🏯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：

手动指定

new DatagramSocket(port);

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：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。

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：

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
",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
",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
",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
",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：

客户端根据用户输入，构造请求

客户端把请求发送给服务器

服务器读取请求并解析

服务器根据请求计算响应（服务器核心逻辑）

服务器构造响应数据，并且返回给客户端

客户端读取服务器返回的响应

客户端解析响应，并显示给用户

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：

在服务器中：

继续在客户端中输入一个你好：

服务器中显示：

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。

此时我们就可以打开多个客户端了

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();
    }
}

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。

文章来自:IT技术分享网
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🏯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：

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