传输层-第八节2：TCP连接管理实践部分

Posted 2023-03-05 快乐江湖

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了传输层-第八节2：TCP连接管理实践部分相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

此部分为补充内容，主要使用Java实现TCP和UDP通信

一：UDP通信

（1）Java数据报套接字通信模型

Java UDP通信模型：Java中使用UDP协议通信，主要依靠一下两个类

DatagramSocket：创建UDP Socket
DatagramPacket：是UDP Socket发送和接受的数据报

一次发送和接收UDP数据报流程如下

多个请求流程如下

（2）API接口说明

A：DatagramSocket

DatagramSocket：用于构造UDP Socket，以发送和接收UDP数据报

构造方法如下

方法签名	方法说明
`DatagramSocket()`	创建一个UDP数据报 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 Socket，绑定到本机任意指定端口，一般用于服务端

成员方法如下

方法签名	方法说明
`void receive(DatagramPacket p)`	从该Socket中接收数据报（如果未收到则会阻塞等待）
`void send(DatagramPacket p)`	由该Socket发送数据报（不会阻塞等待，直接发送）
`void close()`	关闭此Socket

B：DatagramPacket

DatagramPacket：是UDP Socket发送和接收的数据报

构造方法如下

方法签名	方法说明
`DatagramPacket(byet[] buf, int length)`	用于接收数据报，接收的数据保存在`buf`数组中，`length`指定接收长度
`DatagramPacket(byet[] buf, int offset, int length, SocketAddress address)`	用于发送数据报，发送的数据为`buf`数组，范围为从0到`length`，`address`是目的主机的IP和端口号

成员方法如下

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端口号；或从发送的数据报中获取接收端主机端口号
`bye[] getData()`	获取数据报中的数据

（3）示例

注意：这个功能比较简单，但主要目的是为了演示上面所讲API的用法

A：代码

服务端IP地址设置为127.0.0.1，也即本地环回，也即自己发自己收，数据会完整走一遍协议

服务端：UDPServer：

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;

public class UDPServer 
    // 构造DatagramSocket
    private DatagramSocket socket = null;

    public UDPServer(int port) throws SocketException 
        // 服务端需要绑定一个端口号
        socket = new DatagramSocket(port);
    

    // 服务端启动
    public void start() throws IOException 
        System.out.println("服务器启动！");
        // 服务端随时等待接收客户端请求
        while (true) 
            /*
                 1. 接受请求并解析
                    构造一个DatagramPacket对象requestPacket用于接受客户端发来的数据报，保存在byte[]
                    为了方便查看信息，需要使用 requestPacket的getData()方法将其转换为String
             */
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(requestPacket);
            String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength());
            /*
                2. 拿到客户端的请求request后，将其交给一个方法process进行处理，process方法会返回响应response
             */
            String response = process(request);
            /*
                3. 将响应回复给客户端
                   构造一个DatagramPacket对象responsePacket用于给客户端回复响应response ，response是String
                   所以需要使用用getBytes()方法将其转化为byte[]
                   客户端发来的requestPacket数据报中携带有客户端的Ip地址和端口号，使用getSocketAddress()获得
             */
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length,
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);

            // 打印信息
            System.out.println("【客户端IP: " + requestPacket.getAddress().toString()
                    + "客户端口号：" + requestPacket.getPort() + "】"
                    + "：\\"" + request + "\\"" + ", 服务端回复: " + "\\"" + response + "\\"");
        
    

    // 回显服务器，客户端发什么服务端就回复什么
    public String process(String request) 
        return request;
    

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        // 服务端监听9090端口
        UDPServer server = new UDPServer(9090);
        server.start();

客户端：UDPClient：

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

public class UDPClient 
    DatagramSocket socket = null;
    // 客户端需要指定好服务端的IP和端口号，然后构建一个Socket地址
    private SocketAddress ADDRESS = null;

    public UDPClient(String serverIP, int serverPort) throws SocketException 
        ADDRESS = new InetSocketAddress(serverIP, serverPort);
        socket = new DatagramSocket();
    

    // 客户端启动
    public void start() throws IOException 
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) 
            // 1. 读取客户端用户输入
            System.out.print("input: ");
            String request = scanner.next();

            /*
                2. 发送请求给服务端
                   构造一个DatagramPacket对象requestPacket用于给服务端发送数据报，注意需要将String转换为byte[]
                   同时传入服务端的ADDRESS(ip地址和port)
             */
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length,
                   ADDRESS);
            socket.send(requestPacket);

            // 3. 从服务端获取响应
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());

            // 打印信息
            System.out.println("服务端回复：" + response);

        
    

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        UDPClient client = new UDPClient("127.0.0.1", 9090);
        client.start();

B：效果展示

一个服务端一个客户端

一个服务端多个客户端

注意如果需要运行多个UDPClient实例，需要在Run/Debug Configurations中选中Allow multiple instances

这里启动三个客户端

C：分析

对于服务端（UDPServer类）：

构造方法（ public UDPServer(int port)）
- 需要建立一个DatagramSocket并绑定一个指定的端口号port，也即 DatagramSocket socket =new DatagramSocket(port)。服务端绑定端口号的原因是因为程序运行在服务器上是确定的、可控的
服务端处理逻辑（public void start()）
- ①：接受请求并解析
  - 需要构造一个DatagramPacket用于接受客户端发来的数据报，会保存在byte[]中，也即DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096)
  - 接受行为由socket完成，也即socket.receive(requestPacket)
  - 接受到的requestPacket 其类型为byte[]，所以需要把它转为String以便于查看，也即String request = new String(requestPacket.getData(), 0, requestPacket.getLength())
- ②：处理请求
  - 拿到解析后的request后，需要对该request进行处理（交给方法process），不同的业务逻辑会有不同的处理方法。这里我们只是简单的“回显”一下即可，也即客户端发什么服务端就回复什么
- ③：将处理结果（响应）回复给客户端
  - 需要构造一个DatagramPacket用于给客户端回复响应response，在构造时要将类型为String的respnse转化为byte[]，同时使用requestPacket.getSocketAddress()获取到客户端的IP和port（因为服务端总要知道客户端的具体地址才能发送），也即DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(), response.getBytes().length, requestPacket.getSocketAddress())
  - 发送行为由socket完成，也即socket.send(responsePacket);
- ④：打印相关信息
main方法
- 构造UDPServer对象，并绑定指定端口号，如9090，也即UDPServer server = new UDPServer(9090)
- 启动服务端，也即server.start()

对于客户端（UDPClient类）：

构造方法（public UDPClient(String serverIP, int serverPort)）
- 需要建立一个DatagramSocket，但不指定端口号，也即DatagramSocket socket =new DatagramSocket()。客户端无需绑定端口号是因为客户端上运行状况复杂，端口号占用情况各不相同，无法保证所指定的端口号在数据报来临时一定是空闲的，所以这里让系统自动指定空闲端口号即可
- 需要建立一个InetSocketAddress，传入服务端serverIP和serverPort，也即SocketAddress ADDRESS = new InetSocketAddress(serverIP, serverPort)，这里的serverPort就是服务端中所指定的那个port。之所以这样做是因为客户端发送时必须要知道服务端的IP地址和port
  - InetSocketAddress是SocketAddress的子类
客户端处理逻辑（public void start()）
- ①：读取客户端中用户的输入
  - 使用Scanner接受即可，也即String request = scanner.next()
- ②：发送请求给服务端
  - 需要构造一个DatagramPacket给服务端发送数据报，注意需要将类型String的request转化为byte[]，同时传入服务端的ADDRESS。也即DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(), request.getBytes().length, ADDRESS);
  - 发送行为由socket完成，也即socket.send(requestPacket)
- ③：从服务端获取响应
  - 需要构造一个DatagramPacket用于接受服务端端发来的数据报，会保存在byte[]中，也即DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096)
  - 接受行为由socket完成，也即socket.receive(responsePacket)
  - 接受到的responsePacket 其类型为byte[]，所以需要把它转为String以便于查看，也即String response = new String(responsePacket.getData(), 0, resoibsePacket.getLength())
- ④：打印相关信息
main方法
- 构造UDPClient对象，并给定服务端IP和port，也即 UDPClient client = new UDPClient("127.0.0.1", 9090)
- 启动客户端，也即client.start()

二：TCP通信

（1）Java流套接字通信模型

Java TCP通信模型：Java中使用TCP协议进行通信，主要依靠以下两个类

ServerSocket：是创建TCP服务端Socket的API
Socket API：是客户端Socket，或服务端中接收到客户端连接（accept方法）的请求后，返回服务端Socket

通信流程如下

（2）API接口说明

A：ServerSocket

ServerSocket：用于创建TCP服务端流套接字Socket

构造方法如下

方法签名	方法说明
`ServerSocet(int port)`	创建一个服务端流套接字 `Socket`，并绑定到指定端口

成员方法如下

方法签名	方法说明
`Socket accept()`	开始监听端口，当有客户端连接后会返回一个服务端`Socket`对象，并基于该`Socket` 与客户端建立连接，否则阻塞等待
`void close()`	关闭此套接字

B：Socket

Socket ：是客户端的Socket（当然也会给服务端用，上面表格说过，当有客户端连接服务端后，会返回一个服务端Socket）

构造方法如下

方法签名	方法说明
`Socket(String host, int port)`	创建一个客户端流套接字`Socket`，并和对应`IP`的主机上、对应端口的进程建立连接

成员方法如下

方法签名	方法说明
`InetAddress getInetAddress()`	返回套接字所连接的地址
`InputStream getInputStream()`	返回套接字的输入流
`OutputStream getOutputStream()`	返回此套接字的输出流

（3）示例

注意：这个功能比较简单，但主要目的是为了演示上面所讲API的用法

A：代码

服务端IP地址设置为127.0.0.1，也即本地环回，也即自己发自己收，数据会完整走一遍协议

服务端：TCPServer：

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class TCPServer 
    // 创建监听套接字
    private ServerSocket listenSocket = null;

    public TCPServer(int port) throws IOException 
        // 监听套接字绑定指定端口
        listenSocket = new ServerSocket(port);
    

    // 服务器启动
    public void start() throws IOException 
        System.out.println("服务器启动！");
        while (true) 
            // 调用监听套接字的accept()连接客户端，并返回Socket类型的clientSocket
            // 将clientSocket传递给具体处理连接的方法processConnection()进行处理
            Socket clientSocket = listenSocket.accept();
            // 进行处理
            processConnection(clientSocket);
        
    
    // 用于处理连接
    private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException 
        System.out.println("【客户端IP: " + clientSocket.getInetAddress().toString()
                + "客户端口号：" + clientSocket.getPort() + "】"
                + "已上线");

        // 处理请求
        // 打开inputStream和outputStream
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) 
            while (true) 
                // 1. 读取请求并解析
                Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
                if (!scanner.hasNext()) 
                    // 如果读完了那么连接可以断开了
                    System.out.println("【客户端IP: " + clientSocket.getInetAddress().toString()
                            + "客户端口号：" + clientSocket.getPort() + "】"
                            + "下线");
                    break;
                
                String request = scanner.next();
                // 2. 根据请求计算响应，具体处理函数为process
                String response = process(request);

                // 3. 响应回复给客户端
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(response);
                printWriter.flush();

                // 打印信息
                System.out.println("【客户端IP: " + clientSocket.getInetAddress().toString()
                        + "客户端口号：" + clientSocket.getPort() + "】"
                        + "：\\"" + request + "\\"" + ", 服务端回复: " + "\\"" + response + "\\"");
            

         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
         finally 
            // 关闭套接字
            // listenSocket在TCP服务端程序中只有一个，所以不太可能把文件描述符占满
            // 而clientSocket 每遇到一个客户端都要创建一个，所以一定要注意关闭
            clientSocket.close();
        
     

     // 业务逻辑函数
    public String process(String request) 
        return request;
    

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        TCPServer server = new TCPServer(9090);
        server.start();

客户端：TPCClient：

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class TCPClient 
    // 建立Socket对象
    private Socket socket = null;

    public TCPClient(String serverIP, int serverPort) throws IOException 
        // 指定服务端IP和端口号
        socket = new Socket(serverIP, serverPort);
    

    // 客户端启动
    public void start () throws IOException 
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()) 
            while (true) 
                // 1. 获取用户输入
                System.out.print("input: ");
                String request = scanner.next();
                // 2. 发送请求给服务端
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(request);
                printWriter.flush();
                // 3. 从服务端获得响应
                Scanner responseScanner = new Scanner(inputStream);
                String response = responseScanner.next();

                // 打印信息
                System.out.println("服务端回复：" + response);
            
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
        
    

    public static void main(String[] args) throws IOException 
        TCPClient client = new TCPClient("127.0.0.1", 9090);
        client.start();

B：效果展示

C：分析

对于服务端（TCPServer类）：

构造方法（public TCPServer(int port)）
- 需要建立一个ServerSocket类型的监听套接字，用于监听客户端的请求连接，也即private ServerSocket listenSocket = new ServerSocket(port)
服务端处理逻辑（public void start()）
- 不断循环一直监听客户端的连接，当有客户端连接之后监听套接字会返回Socket类型的套接字用于处理这个连接，也即Socket clientSocket = listenSocket.accept()
- 具体处理连接的过程交由processConnection()方法进行，也即processConnection(ClientSocket)
服务端处理连接（private void processConnection(Socket clientSocket) ）
- ①：打开套接字的输入流和输出流
  - clientSocket里的请求内容保存在其InputStream中，最终服务端回复响应时要将该响应写入到其OutputStream中，也即InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream()和OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()
- ②：读取InputStream中的请求并解析
  - 使用Scanner进行读取比较方便，也即Scanner scanner = new Scanner(inputStream)
  - 读取时注意随时判断是否读取完毕，如果读取完毕表示客户端可以下线了
  - 读取好的请求保存在request中，也即String request = scanner.next()
- ③：根据请求得到响应
  - 拿request后，需要对该reques以上是关于传输层-第八节2：TCP连接管理实践部分的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章传输层-第八节1：TCP连接管理理论部分（三次握手与四次挥手）传输层-第八节1：TCP连接管理理论部分（三次握手与四次挥手）传输层-第三节1-2：TCP连接管理（三次握手和四次挥手）《图解HTTP》阅读笔记 OSI七层模型和TCP/IP协议族数据链路层-第八节：链路层设备