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Java 中网络编程、TCP 通信与 UDP 通信,java 程序设计教程第三版雍俊海

作者:MySQL神话
  • 2021 年 11 月 27 日
  • 本文字数:6041 字

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五、TCP 和 UDP的区别




一、网络通讯协议


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1、概述




通过计算机网络可以实现多台计算机之间的连接通讯,这些连接和通讯的规则被称为网络通讯协议,它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定,通讯双方必须同时遵守才能完成数据交换。


网络通讯协议中使用最为广泛的是 TCP/IP 协议(包括 TCP 协议和 IP 协议),UDP 协议和其他一些协议的协议组。TCP/IP 协议的层次比较简单,在进行数据传输时,要求发送的数据与收到的数据完全一致,这时就要在原有的数据上添加很多信息,以保证数据在传输过程中格式完全一致,其分为四层,如图:



TCP/IP 协议中的四层分别是:链路层、网络层、传输层、应用层,每层分别负责不同的通讯功能,具体功能如下


  • 链路层: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:是整个 TCP/IP 协议的核心,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网络中,有四个协议


1、网际协议 IP:负责在主机和网络之间寻址和路由数据包;


2、地址解析协议 ARP:获得同一物理网络中的硬件主机地址;


3、网际控制消息协议 ICMP:发送消息,并报告有关数据的传输错误;


4、互联组管理协议 IGMP:是一种旨在防止多点传送通信在网络中滥用的控制数据包,即只允许数据包发送到它请求它的计算机


  • 传输层:主要使用网络程序进行端到端的通讯,主要使用 TCP 和 UDP


1、控制传输协议 TCP:为应用程序提供可靠的通信连接,适合一次性传输大批数据的情况,并适用于要求得到响应的应用程序。


2、用户数据包协议 UDP:提供了无连接的通信,不对传送数据包进行可靠保证。适合一次传输少量数据,可靠性由应用层来负责。


  • 应用层:主要负责应用程序的协议,如 HTTP 协议、FTP 协议等


2、IP 地址和端口号




要想使网络中的计算机能够进行通信,必须为每台计算机指定一个标识号,通过这个标识号来指定接受数据的计算机或者发送数据的计算机。


在 TCP/IP 协议中,这个标识号就是 IP 地址,它可以唯一标识一台计算机,目前,IP 地址广泛使用的版本是 IPv4,它是由 4 个字节大小的二进制数来表示,如:00001010000000000000000000000001。由于二进制形式表示的 IP 地址非常不便记忆和处理,因此通常会将 IP 地址写成十进制的形式,每个字节用一个十进制数字(0-255)表示,数字间用符号“.”分开,如 “192.168.1.100”。


随着计算机网络规模的不断扩大,对 IP 地址的需求也越来越多,IPV4 这种用 4 个字节表示的 IP 地址面临枯竭,因此 IPv6 便应运而生了,IPv6 使用 16 个字节表示 IP 地址,它所拥有的地址容量约是 IPv4 的 8×1028 倍,达到 2128 个(算上全零的),这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。


通过 IP 地址可以连接到指定计算机,但如果想访问目标计算机中的某个应用程序,还需要指定端口号。


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在计算机中,不同的应用程序是通过端口号区分的。端口号是用两个字节(16 位的二进制数)表示的,它的取值范围是 0~65535,其中,0~1023 之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用,用户的普通应用程序需要使用 1024 以上的端口号,从而避免端口号被另外一个应用或服务所占用。


两台计算机之间通过 IP 地址和端口号进行通讯关系如下图所示,位于网络中的一台源计算机可以通过 IP 地址去访问另一台目标计算机,再通过端口号访问目标计算机中的某个应用程序



3、InetAddress 类




在 Java JDK 中,提供了一个?InetAddress 类,该类用于封装一个 IP 地址,并提供了一系列与 IP 地址相关的方法,常用的方法有:


  • static InetAddress getLocalHost():用于获得本地的?InetAddress 对象

  • static InetAddress getByName(String host):用于获得指定主机的?InetAddress 对象

  • String getHostName():获得此 IP 地址的主机名

  • String getHostAddress():返回 IP 地址字符串


public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {


//获取本地 InetAddress 对象


InetAddress host = InetAddress.getLocalHost();


System.out.println(host);


//获取指定主机 InetAddress 对象


InetAddress remote = InetAddress.getByName("www.baidu.com");


System.out.println(remote);


//获取本机的 IP 地址的主机名和 IP 地址字符串


System.out.println(host.getHostName());


System.out.println(host.getHostAddress());


//获取百度的 IP 地址的主机名和 IP 地址字符串


System.out.println(remote.getHostName());


System.out.println(remote.getHostAddress());


}


二、TCP 协议与 UDP 协议


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  • TCP 是 Transmission Control Protocol 的简称,称为传输控制协议

  • UDP 是 User Datagram Protocol 的简称,称为用户数据报协议


1、TCP 协议




TCP 协议是面向连接的通信协议,即在传输数据前先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”,而断开连接需要经过“四次挥手”


由于 TCP 协议的面向连接特性,它可以保证传输数据的安全性,所以是一个被广泛采用的协议,例如在下载文件时,如果数据接收不完整,将会导致文件数据丢失而不能被打开,因此,下载文件时必须采用 TCP 协议

(1) 三次握手

第一次握手主机 A 通过一个标识为 SYN 标识位的数据段发送给主机 B 请求连接,通过该数据段告诉主机 B 希望建立连接,需要 B 应答,并告诉主机 B 传输的起始序列号;第二次握手是主机 B 用一个确认应答 ACK 和同步序列号 SYNC 标识位的数据段来响应主机 A,一是发送 ACK 告诉主机 A 收到了数据段,二是通知主机 A 从哪个序列号做标记;第三次握手是主机 A 确认收到了主机 B 的数据段并可以开始传输数据


即:


  • 第一次握手:客户端向服务器发出连接请求,等待服务器确认

  • 第二次握手:服务器向客户端发送一个相应,通知客户端收到了请求连接

  • 第三次握手:客户端再次向服务器发送确认信息,确认连接

(2) 四次挥手

第一次挥手是主机 A 发送 FIN 控制位发出断开连接的请求;第二次挥手主机 B 进行响应,确认收到断开连接请求;第三次挥手主机 B 提出反方向关闭要求;第四次挥手主机 A 确认收到主机 B 的关闭连接请求


即:


  • 第一次挥手:服务端确认客户端需要断开连接

  • 第二次挥手:客户端确认服务端接收断开请求

  • 第三次挥手:客户端确认服务端数据发完

  • 第四次挥手:服务端确认客户端断开连接


2、UDP 协议




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。


三、TCP 通信


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TCP 通信,实现两台计算机之间的通信,通信的两端都要创建 socket 对象,在通信时,严格区分客户端与服务端,遵从“三次握手”和“四次挥手”原则,先由客户端去连接服务器才能实现通信,服务端不可以主动连接客户端,并且服务端程序需要事先启动,等待客户端的连接。在 Java JDK 中提供了两个类用于实现 TCP 程序,ServerSocket 类和 Socket 类。


  • ServerSockt 类:用于表示服务端

  • Socket 类:用于表示客户端


通信时,首先创建代表服务器端的 ServerSocket 对象,该对象相当于开启一个服务,并等待客户端的连接,然后创建代表客户端的 Socket 对象向服务器端发出连接请求,服务器端响应请求,两者建立连接开始通信。


1、ServerSocket 类(实现服务端)




在开发 TCP 程序时,首先需要创建服务端程序,Java JDK 的 java.net 包中提供了一个 ServerSocket 类,该类的实例化对象可以实现一个服务器端的程序,在 ServerSocket 类中提供了多种方法,常用的方法有:


  • ServerSocket(int port):构造方法,创建?ServerSocket 对象,将其绑定到一个指定的端口号上

  • Socket accept():侦听并接受到此套接字的连接

  • InetAddress getInetAddress():返回此服务器套接字的本地地址


ServerSocket 对象负责监听某台计算机的某个端口号,在创建 ServerSocket 对象后,需要继续调用该对象的 accept() 方法,接收来自客户端的请求。当执行了 accept() 方法之后,服务器端程序会发生阻塞,直到客户端发出连接请求,accept() 方法才会返回一个 Scoket 对象用于和客户端实现通信,程序才能继续向下执行。


2、Socket 类(实现客户端)




根据上面 ServerSocket 对象可以实现服务端程序,此时还需要一个客户端程序与之交互,为此,Java JDK 提供了一个 Socket 类,用于实现 TCP 客户端程序。Socket 类同样提供了多种方法:


  • Socket(String host,int port):构造方法,创建 Socket 对象,会根据参数去连接在指定地址和端口上运行的服务器程序

  • Socket(InetAddress address,int port):构造方法,创建 Socket 对象,参数 address 用于接收一个 InetAddress 类型的对象,该对象用于封装一个 IP 地址

  • int getPort():返回一个 int 类型对象,该对象是 Socket 对象与服务器连接的端口号

  • InetAddress getLoclAddress():获取 Socket 对象绑定的本地 IP 地址,并将 IP 地址封装成 InetAddress 类型的对象返回

  • void close():关闭 Socket 连接,结束本次通信。在关闭 Socket 之前,应将与 socket 相关的所有输入/输出流全部关闭

  • InputStream getInputStream():返回一个 InputStream 类型的输入流对象,如果该对象是由服务器的 Socket 返回,就用于读取客户端发送的数据,反之,用于读取服务器端的数据

  • OutputStream getOutputStream():返回一个 OutputStream 类型的输出流对象,如果该对象是由服务器的 Socket 返回,就用于向客户端发送数据,反之,用于向服务器端发送数据


在 Socket 类的常用方法中,getInputStream() 和 getOutputStrea m() 方法分别用于获取输入流和输出流,当客户端和服务端建立连接后,数据是以 IO 流的形式进行交互的,从而实现通信。如图:



3、TCP 通信实例




服务器端实现:


  • 创建 ServerSocket 服务器对象

  • 开启服务器了,等待客户端的连接,当客户端连接后,可以获取到连接服务器的客户端 Socket 对象

  • 给客户端反馈信息


/**


  • TCP 服务端

  • 1、创建 ServerSocket 服务器对象

  • 2、开启服务器了,等待客户端的连接,当客户端连接后,可以获取到连接服务器的客户端 Socket 对象

  • 3、给客户端反馈信息

  • 3.1 获取客户端的输出流

  • 3.2 在服务端端,通过客户端的输出流写数据给客户端


*/


public static void main(String[] args) throws IOException {


//1、创建 ServerSocket 服务器对象


ServerSocket ser = new ServerSocket(8888);


//2、开启服务器了,等待客户端的连接,当客户端连接后,可以获取到连接服务器的客户端 Socket 对象


Socket soc = ser.accept();


//3、给客户端反馈信息


/*


  • a、获取客户端的输出流

  • b、在服务端端,通过客户端的输出流写数据给客户端


*/


//a、获取客户端的输出流


OutputStream OS = soc.getOutputStream();


//b、在服务端端,通过客户端的输出流写数据给客户端


OS.write("恭喜你已连接上服务器!".getBytes());


//4、关闭流资源


soc.close();


OS.close();


}


客户端实现:


  • 创建客户端 Socket 对象,(指定要连接的服务器地址与端口号)

  • 获取服务器端的反馈回来的信息

  • 关闭流资源


/**


  • TCP 客户端

  • 1、创建客户端 Socket 对象,(指定要连接的服务器地址与端口号)

  • 2、获取服务器端的反馈回来的信息

  • 3、关闭流资源


*/


public static void main(String[] args) throws IOException {


//获取本机 IP 地址字符串


String address = InetAddress.getLocalHost().getHostAddress();


System.out.println(address);


//1、创建客户端 Socket 对象,(指定要连接的服务器地址与端口号)


Socket socket = new Socket(address,8888);


//2、获取服务器端的反馈回来的信息


InputStream IS = socket.getInputStream();


//获取获取流中的数据


byte[] by = new byte[1024];


int length = IS.read(by);


//将流中的数据转换为字符串


String str = new String(by,0,length);


//显示数据


System.out.println(str);


//3、关闭流资源


IS.close();


socket.close();


}


四、UDP 通信


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UDP 通信和 TCP 通信一样,都能实现两台计算机之间的通信,通信的两端都要创建 socket 对象,主要区别在于 UDP 中只有发送端和接收端,不分客户端和服务端,计算机之间可以任意的发送数据。在通信时发送端和接收端不用建立连接,为此,Java JDK 中提供了?DatagramPacket 类和 DatagramSocket 类来实现 UDP 通信。


1、DatagramPacket 类




DatagramPacket 类负责数据封装,就相当于一个集装箱,用于封装 UDP 通信中发送和接收的数据,在创建发送端和接收端?DatagramPacket? 对象时,使用的构造方法有所不同:接收端不需要明确知道数据的来源,只需要接收到数据即可;而发送数据必须指定接收端的 IP 地址和端口号。

(1) 构造方法

  • DatagramPacket (byte[] buf,int length):接收端构造方法,接收一个字节数组来存放接收到的数据

  • DatagramPacket (byte[] buf,int length,InetAddress address,int port):发送端构造方法,接收存放发送数据的字节数组和指定发送端 IP 地址和端口号

(2) 常用方法

  • InetAddress getAddress():返回某台计算机的 IP 地址

  • int getPort():返回某台远程主机的端口号

  • byte[] getData():返回数据缓冲区

  • int getLength():返回将要发送或接收到的数据长度


2、DatagramSocket 类




DatagramSocket 类负责数据的收发,其实例化对象可以发送和接收 DatagramPacket 数据包,在创建发送端和接收端的?DatagramSocket 对象时,使用的构造方法也有所不同

(1) 构造方法

  • DatagramSocket():没有指定端口号,系统会分配一个没有被其它网络程序所使用的端口号

  • DatagramSocket(int port):指定一个端口号创建对象,可以监听指定的端口

(2) 常用方法

  • void receive(DatagramSocket p):从此套接字接收数据包

  • void send(DatagramSocket p):从此套接字发送数据包


3、UDP 通信实例




UDP 通信的实现需要创建一个发送端程序和一个接收端程序,在通信时只有先接收端程序先运行,才能避免因发送端发送的数据无法接收,而造成数据丢失,因此要先完成接收端程序的编写


发送端:


  • 创建?DatagramPacket 对象,并封装数据

  • 创建?DatagramSocket 对象

  • 调用 DatagramSocket 对象方法 send() 发送数据

  • 释放流资源

技术学习总结

学习技术一定要制定一个明确的学习路线,这样才能高效的学习,不必要做无效功,既浪费时间又得不到什么效率,大家不妨按照我这份路线来学习。




最后面试分享

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