网络原理（二）：网络编程

上一章聊到了一些网络通信基础的概念，也举了例子，体会了以下大概的过程（微信聊天）。

什么是网络编程？

网络通常指的是计算机中的互联网，是由多台计算机通过网线或其他媒介相互连接组成的，编写基于网络的应用程序的过程称之为网络编程。

网络上的主机通过不同进程，以搬移的形式实现的网络通信(完成的数据传输)；

当然，我们只要满足进程不同就行；所以即便是同一个主机，只要是不同进程，基于网络来传输数据，也属于网络编程。

网络编程又叫套接字，实现网络通信的两端就是套接字。分为服务器对应的套接字和客户端对应的套接字。

网络传输中的基本概念

发送端和接收端：

发送端：数据的发送方进程，称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机。
接收端：数据的接收方进程，称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机。
收发端：发送端和接收端两端，也简称为收发端。
注意：发送端和接收端只是相对的，只是一次网络数据传输产生数据流向后的概念。

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(request)数据的发送
第二次：响应(response)数据的发送

客户端和服务端：

服务端：在常见的网络数据传输场景下，把提供服务的一方进程，称为服务端，可以提供对外服务。
客户端：获取服务的一方进程，称为客户端。
对于服务来说，一般是提供：

客户端获取服务资源
客户端保存资源在服务端

常见的客户端服务端模型

最常见的场景，客户端是指给用户使用的程序，服务端是提供用户服务的程序：

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）

Socket(套接字)

我们程序员编写网络编程主要是在应用层，其他层全部被打包好了。

真正要发送某个数据，需要上层调用下层协议，下层协议为上层提供一组 api 。

这个 api 就是Socket 。

这个Socket api本身是由 C语言实现的，Java又是基于C 语言和C++ 实现的，那么Java就将其打包成具有Java风格的 api。

我们一般将 Socket 分为三类：流套接字、数据报套接字、原始套接字（这里不涉及，因为用的很少）。

我们这一章，主要涉及到前面两种套接字的编写。

数据报套接字：使用传输层UDP协议

流套接字：使用传输层TCP协议

基于 UDP 的api

我们先来看看系统提供的 api 有哪些方法：

DatagramSocket API

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）

服务器这里的socket 对象，必须关联一个端口；

而服务器，则不需要手动关联，系统会自动分配一个空闲的端口。

我们举个例子：服务器就好像一个食堂某个窗口，而客户端就好像来用餐的人。

窗口需要提供 IP 地址（具体是哪个食堂），和端口号（具体是哪个窗口），而用餐的人只需要找到这个 IP地址和端口号，就能让窗口为我们提供服务。

再来看看 DatagramSocket 为用户提供的方法：

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(DatagramPacket p)	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

我们网络编程本质上也是个文件，既然是文件，就需要使用完后即关闭。

DatagramPacket API

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

上面的一个不需要设置地址进去，通常用来接收消息；

下面的一个需要设置地址进去，通常用来发送消息。

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

等会，写代码的时候，边看代码边使用。

基于UDP 的服务器

基于上述所说，我们来编写一个最基础的服务器，回显服务器（Echo Service）

回显服务器：客户端发送什么，服务器就返回什么。

先来编写服务器：

编写服务器的三大步骤：

读取请求并解析
根据请求计算相应
将响应返回到客户端

回响客户端和服务器

服务器：

我们先来看看服务器的代码：


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

public class udpEchoService {
    // 创建一个 socket 对象
    // 想要实现一个网络编程必须要 有一个 socket 对象
    private DatagramSocket socket = null;

    // 绑定一个窗口，不一定能成功
    // 如果这个端口被其他进程占用，那么这么链接就会出错
    // 同一时刻，一个主机，一个进程，只能绑定一个 端口

    public udpEchoService(int port) throws SocketException {
        this.socket = new DatagramSocket(port);
    }

    // 启动
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        while (true) {
            // 每次循环需要做三件事
            // 1.读取请求并解析
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(requestPacket);
            // 为了方便处理，这里把这个数据包转成 String
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            // 2. 根据请求计算响应(此处省略这个步骤)
            String response = process(request);

            // 3.把相应结果写到客户端
            //    根据request 字符串构造一个DatagramPacket
            //    和请求 packet 不同, 此处构造响应的时候, 需要指定这个包要发给谁.
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.length(),
                    // requestPacket 是从客户端收来的， getSocketAddress() 会得到客户端的 IP 和 端口
                    requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n",requestPacket.getAddress().toString(),
                    requestPacket.getPort(), request, response);
        }
    }
    // 这个方法希望是根据请求计算响应.
    // 由于咱们写的是个 回显 程序. 请求是啥, 响应就是啥!!
    // 如果后续写个别的服务器, 不再回显了, 而是有具体的业务了, 就可以修改 process 方法,
    // 根据需要来重新构造响应.
    // 之所以单独列成一个方法, 就是想让同学们知道, 这是一个服务器中的关键环节!!!
    private String process(String request) {
        return request;
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        udpEchoService udpEchoServer = new udpEchoService(1010);
        udpEchoServer.start();
    }
}

我们简单的来介绍一下服务器：

process 方法啥也不干，以后写其他服务器的时候，根据需求再写代码。

这样一个简单的回显服务器就写好了。

客户端：

我们再来看看回显客户端：

代码：

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

public class udpEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIP;
    private int serverPort;
    // 客户端启动, 需要知道服务器在哪里!!
    public udpEchoClient(String serverIP, int serverPort) throws SocketException {
        // 对于客户端来说, 不需要显示关联端口.
        // 不代表没有端口, 而是系统自动分配了个空闲的端口.
        socket = new DatagramSocket();
        this.serverIP = serverIP;
        this.serverPort = serverPort;
    }
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("客户端启动");
        // 通过这个客户端可以多次和服务器进行交互.
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            // 分四步走:
            //  1. 先从控制台, 读取一个字符串过来
            //         先打印一个提示符, 提示用户要输入内容
            System.out.print("-> ");
            String request = scanner.next();
            // 2. 把字符串构造成 UDP packet, 并进行发送.
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIP),serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            // 3. 客户端尝试读取服务器返回的响应
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096], 4096);
            socket.receive(responsePacket);
            // 4. 把响应数据转换成 String 显示出来.
            String response = new String(responsePacket.getData(), 0, responsePacket.getLength());
            System.out.printf("req: %s, resp: %s\n", request, response);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        udpEchoClient client = new udpEchoClient("127.0.0.1", 1010);
        client.start();
    }
}

同样我也来稍稍解析一下代码：