[学习笔记]Java网络编程之UDP通讯

1. 体系结构

计算机网络各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。目前公认的计算机网络体系结构有概念清楚理论完善的OSI七层协议结构和实际上广泛应用的TCP/IP四层体系结构。

2. 各层概述

  • 应用层：直接为用户的程序提供服务，如支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等。
  • 运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务，主要使用面向连接的TCP协议和无连接的UDP协议。
  • 网络层：负责为分组交换网上不同主机提供地址交付的通信服务，该层使用IP协议，所以在该层传送的数据称之为IP数据报。路由器工作在该层。
  • 数据链路层：负责将IP数据报在相邻的节点之间传输，该层将IP数据报封装成帧，将IP地址转换为MAC硬件地址封装在帧中进行节点间的传输。网桥，桥接器和交换机都工作在该层。
  • 物理层：包括数据传输的介质和电气特性，包括电缆，光缆，光信号，电信号的标准等。转发器，信号放大器都工作在该层。
  • 每一层的实际运作对上一层都是透明的。
  • 应用程序间通过网络交换数据，数据在发送方从上到下层层封装，通过物理层传输，到接收方又从下至上层层拆封还原原始数据。

Java中的网络通讯

1. IP地址

1.1 概述

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

1.2 域名解析

为了方便记忆，出现域名，并且需要从域名转化为IP地址的协议或服务，该服务就是域名解析（DNS）。

特殊地址

  • 127.0.0.1：本机回环地址。
  • 主机号为全1：该网络广播地址。

1.3 InetAddress类

概述

  • 该类没有构造器。
  • 该类用于IP地址的封装。

方法

  • 返回本机IP原始地址

    byte[]  getAddress()

  • 通过主机名或IP地址获取IP地址对象

    static InetAddress[]  getAllByName(String host)

    static InetAddress  getByAddress(byte[] addr)

    static InetAddress  getByAddress(String host, byte[] addr)

    static InetAddress  getByName(String host)

  • 获取主机IP地址或主机名
  • static InetAddress  getLocalHost()

    String  getHostAddress()

    String  getHostName()

示例




package net;

import java.net.InetAddress;

import java.net.UnknownHostException;

public class InetDemo {

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

    // 获取本机IP对象

    InetAddress iphost = InetAddress. getLocalHost();

    String ipstr = iphost.getHostAddress(); // "192.168.1.22"

    String ipname = iphost.getHostName(); // "YH-PC"

   

    // 获取指定IP对象

    InetAddress ip = InetAddress.getByName("192.168.1.1");

    ipstr = ip.getHostAddress(); // "192.168.1.1"

    ipname = ip.getHostName(); // "192.168.1.1"

   

    // 获取指定主机的IP对象

    InetAddress[] ips = InetAddress.getAllByName("www.google.com.hk");

    for (int i = 0; i < ips.length; i++) {

      ipstr = ips[i].getHostAddress();

      ipname = ips[i].getHostName();

      System.out.println( ipstr);

      System.out.println( ipname);

      // 173.194.120.88

      // www.google.com.hk

      // 216.239.32.39

      // www.google.com.hk

    }

  }

}

2. 端口号

  • 全称为TCP/IP端口，是应用层用于识别通讯进程的接口。
  • 有效端口：0~65535，系统使用或保留的端口是：0~1024。

3. 传输层协议

3.1 UDP协议

  • 无连接的，不保证可靠交付，只能提供尽最大努力交付。
  • 无需创建链接，速度较快。
  • 支持一对一，一对多，多对一，多对多通讯。
  • 面向报文的通信。
  • 没有拥塞控制，所以可能会有丢包，但是传输速率不受影响，延时较小，适合实时性要求高的网络视频，聊天等。

3.2 TCP协议

  • 面向连接的，提供可靠交付服务。
  • TCP链接只能有两个端点，所以只能是点对点（一对一）通讯。
  • TCP提供全双工通信，适合大数据量的传输。
  • 面向字节流的通信。
  • 需要通过三次握手建立链接，速度稍慢。

4. 通讯过程

  • 明确IP地址。
  • 明确通讯端口。
  • 明确使用协议。
  • 建立Socket（套接字，类似于通信链接的端口，插口）通信服务。
  • 建立通信数据报文Package。
  • 使用Socket来发送或接收报文。

UDP协议相关API

1. DatagramSocket类

概述

该类用于UDP通讯套接字的建立。

构造器

  • 绑定本地主机创建套接字

    DatagramSocket()

    DatagramSocket(int port)

  • 绑定指定主机创建套接字（当一台机器拥有多于一个IP地址的时候，由它创建的实例仅仅接收来自指定地址的报文）

    DatagramSocket(DatagramSocketImpl impl)

    DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)

    DatagramSocket(SocketAddress bindaddr)

常用方法

  • 将套接字绑定到特定的IP地址和端口号

    void  bind(SocketAddress addr)

  • 关闭该套接字

    void  close()

  • 将该套接字连接至远程地址（用于建立单向通讯）

    void  connect(InetAddress address, int port)

    void  connect(SocketAddress addr)

  • 断开链接

    void  disconnect()

  • 获取与该套接字连接的地址

    InetAddress  getInetAddress()

    SocketAddress  getRemoteSocketAddress()

  • 获取与该套接字连接的端口号

    int  getPort()

  • 获取与该套接字绑定的本地地址

    InetAddress  getLocalAddress()

    SocketAddress  getLocalSocketAddress()

  • 获取与该套接字绑定的本地端口号

    int  getLocalPort()

  • 判断套接字状态

    boolean  isBound()

    boolean  isClosed()

    boolean  isConnected()

  • 接收和发送

    void  receive(DatagramPacket p)

    void  send(DatagramPacket p)

  • 设置接收和发送缓冲区大小以及超时限制

    void  setReceiveBufferSize(int size)

    void  setSendBufferSize(int size)

    void  setSoTimeout(int timeout)

2. DatagramPacket类

概述

该类用于数据报文的建立。

构造器

  • 建立发送报文

    DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)

    DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port)

    DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, SocketAddress address)

    DatagramPacket(byte[] buf, int length, SocketAddress address)

  • 建立接收报文

    DatagramPacket(byte[] buf, int length)

    DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length)

常用方法

  • 获取该数据报发送的目的地址或接收的源地址。

    InetAddress  getAddress()

    SocketAddress  getSocketAddress()

    int  getPort()

  • 获取数据报数据长度和偏移量

    int  getLength()

    int  getOffset()

  • 设置数据报发送地址

    void  setAddress(InetAddress iaddr)

    void  setSocketAddress(SocketAddress address)

    void  setPort(int iport)

  • 设置数据报数据

    void  setData(byte[] buf)

    void  setData(byte[] buf, int offset, int length)

    void  setLength(int length)

3. 通信步骤

发送端

  • 建立套接字。
  • 明确目标地址和端口号，建立带地址的数据报文。
  • 使用套接字发送数据报文。
  • 关闭套接字。

接收端

  • 明确端口号，建立带端口号套接字。
  • 建立接收的数据报文。
  • 使用套接字接收数据报文。
  • 关闭套接字。

4. 示例

UDP发送端


package net;

import java.io.IOException;

import java.net.DatagramPacket;

import java.net.DatagramSocket;

import java.net.InetAddress;

public class UDP_Send {

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

    /*

     * UDP发送端

     */

    System.out.println( "UDP发送端");

    // 获取本地IP地址

    InetAddress ip = InetAddress.getLocalHost();

    System.out.println( "Destination IP = " + ip.getHostAddress());

    // 1. 建立UDP的socket

    DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

    // 2. 将数据封装到数据包中

    byte[] buf = "hello UDP!".getBytes();

    DatagramPacket dp = new DatagramPacket( buf, buf.length , ip , 22222);

    // 3. 使用Socket对象的send方法将数据包发送出去

    ds.send(dp);

    // 4. 关闭资源。

    ds.close();

  }

}

UDP接收端


package net;

import java.io.IOException;

import java.net.DatagramPacket;

import java.net.DatagramSocket;

public class UDP_Receive {

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

    /*

     * UDP接收端

     */

    System.out.println( "UDP接收端");

    // 1. 建立UDP的socket

    DatagramSocket ds = new DatagramSocket(22222);

    // 2. 定义数据包方便接收数据

    byte[] buf = new byte[1024];

    DatagramPacket dp = new DatagramPacket( buf, buf.length );

    // 3. 使用Socket对象的receive方法阻塞接收数据

    ds.receive(dp);

    // 4. 获取接收到的数据

    String ip = dp.getAddress().getHostAddress();

    int port = dp.getPort();

    String data = new String( dp.getData(), 0, dp.getLength());

   

    System.out.println( "ip = " + ip + "\nport = " + port + "\ndata = " + data );

   

    // 4. 关闭资源。

    ds.close();

  }

}

实例

聊天室程序


package net;

import java.io.BufferedReader;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStreamReader;

import java.net.DatagramPacket;

import java.net.DatagramSocket;

import java.net.InetAddress;

import java.net.SocketException;

import java.net.UnknownHostException;

public class Test_ChatByUDP {

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

    // 创建用于发送和接收的套接字，端口33333只用于聊天室接收程序。

    DatagramSocket sendDs = new DatagramSocket();

    DatagramSocket receDs = new DatagramSocket(33333);

   

    // 创建广播地址

    InetAddress ip = InetAddress.getByName("192.168.1.255");

    // 创建发送和接收对象

    Send sd = new Send( sendDs, ip);

    Rece rc = new Rece( receDs);

    new Thread( sd).start();

    new Thread( rc).start();

  }

}

class Send implements Runnable {

  private DatagramSocket ds;

  private InetAddress ip;

  public Send(DatagramSocket ds, InetAddress ip) {

    super();

    this.ds = ds;

    this.ip = ip;

  }

  @Override

  public void run() {

    // 读取键盘录入

    BufferedReader br = new BufferedReader( new InputStreamReader(System.in ));

    String str = null;

    try {

      while (( str = br.readLine()) != null) {

        // 发送键盘录入的字符

        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(str.getBytes(), str .length(), ip , 33333);

        ds.send( dp);

        if ( "exit".equals(str )) {

          break;

        } else if ( "close".equals(str )) {

          break;

        }

      }

      ds.close();

    } catch (IOException e) {

      e.printStackTrace();

    }

  }

}

class Rece implements Runnable {

 

  private DatagramSocket ds;

  public Rece(DatagramSocket ds) {

    super();

    this.ds = ds;

  }

  @Override

  public void run() {

    while ( true) {

      byte[] buf = new byte[1024];

      DatagramPacket dp = new DatagramPacket( buf, buf.length );

     

      try {

        // 阻塞接收

        ds.receive( dp);

      } catch (IOException e) {

        e.printStackTrace();

      }

      // 获取发送方地址

      String ip = dp.getAddress().getHostAddress();

      String str = new String( dp.getData(), 0, dp.getLength());

      int port = dp.getPort();

      if ("exit".equals( str)) {

        // 判断发送字符

        System. out.println(ip + ":" + port + " 离开了聊天室！" );

      } else if ("close".equals( str)) {

        System. out.println(ip + ":" + port + " 请求关闭聊天室！" );

        break;

      } else {

        System. out.println(ip + ":" + port + " 说：" + str);

      }

    }

    ds.close();

    System.out.println( "聊天室已关闭！" );

  }

}

1. 体系结构

计算机网络各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。目前公认的计算机网络体系结构有概念清楚理论完善的OSI七层协议结构和实际上广泛应用的TCP/IP四层体系结构。

2. 各层概述

  • 应用层：直接为用户的程序提供服务，如支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等。
  • 运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务，主要使用面向连接的TCP协议和无连接的UDP协议。
  • 网络层：负责为分组交换网上不同主机提供地址交付的通信服务，该层使用IP协议，所以在该层传送的数据称之为IP数据报。路由器工作在该层。
  • 数据链路层：负责将IP数据报在相邻的节点之间传输，该层将IP数据报封装成帧，将IP地址转换为MAC硬件地址封装在帧中进行节点间的传输。网桥，桥接器和交换机都工作在该层。
  • 物理层：包括数据传输的介质和电气特性，包括电缆，光缆，光信号，电信号的标准等。转发器，信号放大器都工作在该层。
  • 每一层的实际运作对上一层都是透明的。
  • 应用程序间通过网络交换数据，数据在发送方从上到下层层封装，通过物理层传输，到接收方又从下至上层层拆封还原原始数据。

Java中的网络通讯

1. IP地址

1.1 概述

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

1.2 域名解析

为了方便记忆，出现域名，并且需要从域名转化为IP地址的协议或服务，该服务就是域名解析（DNS）。

特殊地址

  • 127.0.0.1：本机回环地址。
  • 主机号为全1：该网络广播地址。

1.3 InetAddress类

概述

  • 该类没有构造器。
  • 该类用于IP地址的封装。

方法

  • 返回本机IP原始地址

    byte[]  getAddress()

  • 通过主机名或IP地址获取IP地址对象

    static InetAddress[]  getAllByName(String host)

    static InetAddress  getByAddress(byte[] addr)

    static InetAddress  getByAddress(String host, byte[] addr)

    static InetAddress  getByName(String host)

  • 获取主机IP地址或主机名
  • static InetAddress  getLocalHost()

    String  getHostAddress()

    String  getHostName()

示例




package net;

import java.net.InetAddress;

import java.net.UnknownHostException;

public class InetDemo {

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

    // 获取本机IP对象

    InetAddress iphost = InetAddress. getLocalHost();

    String ipstr = iphost.getHostAddress(); // "192.168.1.22"

    String ipname = iphost.getHostName(); // "YH-PC"

   

    // 获取指定IP对象

    InetAddress ip = InetAddress.getByName("192.168.1.1");

    ipstr = ip.getHostAddress(); // "192.168.1.1"

    ipname = ip.getHostName(); // "192.168.1.1"

   

    // 获取指定主机的IP对象

    InetAddress[] ips = InetAddress.getAllByName("www.google.com.hk");

    for (int i = 0; i < ips.length; i++) {

      ipstr = ips[i].getHostAddress();

      ipname = ips[i].getHostName();

      System.out.println( ipstr);

      System.out.println( ipname);

      // 173.194.120.88

      // www.google.com.hk

      // 216.239.32.39

      // www.google.com.hk

    }

  }

}

2. 端口号

  • 全称为TCP/IP端口，是应用层用于识别通讯进程的接口。
  • 有效端口：0~65535，系统使用或保留的端口是：0~1024。

3. 传输层协议

3.1 UDP协议

  • 无连接的，不保证可靠交付，只能提供尽最大努力交付。
  • 无需创建链接，速度较快。
  • 支持一对一，一对多，多对一，多对多通讯。
  • 面向报文的通信。
  • 没有拥塞控制，所以可能会有丢包，但是传输速率不受影响，延时较小，适合实时性要求高的网络视频，聊天等。

3.2 TCP协议

  • 面向连接的，提供可靠交付服务。
  • TCP链接只能有两个端点，所以只能是点对点（一对一）通讯。
  • TCP提供全双工通信，适合大数据量的传输。
  • 面向字节流的通信。
  • 需要通过三次握手建立链接，速度稍慢。

4. 通讯过程

  • 明确IP地址。
  • 明确通讯端口。
  • 明确使用协议。
  • 建立Socket（套接字，类似于通信链接的端口，插口）通信服务。
  • 建立通信数据报文Package。
  • 使用Socket来发送或接收报文。

UDP协议相关API

1. DatagramSocket类

概述

该类用于UDP通讯套接字的建立。

构造器

  • 绑定本地主机创建套接字

    DatagramSocket()

    DatagramSocket(int port)

  • 绑定指定主机创建套接字（当一台机器拥有多于一个IP地址的时候，由它创建的实例仅仅接收来自指定地址的报文）

    DatagramSocket(DatagramSocketImpl impl)

    DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)

    DatagramSocket(SocketAddress bindaddr)

常用方法

  • 将套接字绑定到特定的IP地址和端口号

    void  bind(SocketAddress addr)

  • 关闭该套接字

    void  close()

  • 将该套接字连接至远程地址（用于建立单向通讯）

    void  connect(InetAddress address, int port)

    void  connect(SocketAddress addr)

  • 断开链接

    void  disconnect()

  • 获取与该套接字连接的地址

    InetAddress  getInetAddress()

    SocketAddress  getRemoteSocketAddress()

  • 获取与该套接字连接的端口号

    int  getPort()

  • 获取与该套接字绑定的本地地址

    InetAddress  getLocalAddress()

    SocketAddress  getLocalSocketAddress()

  • 获取与该套接字绑定的本地端口号

    int  getLocalPort()

  • 判断套接字状态

    boolean  isBound()

    boolean  isClosed()

    boolean  isConnected()

  • 接收和发送

    void  receive(DatagramPacket p)

    void  send(DatagramPacket p)

  • 设置接收和发送缓冲区大小以及超时限制

    void  setReceiveBufferSize(int size)

    void  setSendBufferSize(int size)

    void  setSoTimeout(int timeout)

2. DatagramPacket类

概述

该类用于数据报文的建立。

构造器

  • 建立发送报文

    DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)

    DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port)

    DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, SocketAddress address)

    DatagramPacket(byte[] buf, int length, SocketAddress address)

  • 建立接收报文

    DatagramPacket(byte[] buf, int length)

    DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length)

常用方法

  • 获取该数据报发送的目的地址或接收的源地址。

    InetAddress  getAddress()

    SocketAddress  getSocketAddress()

    int  getPort()

  • 获取数据报数据长度和偏移量

    int  getLength()

    int  getOffset()

  • 设置数据报发送地址

    void  setAddress(InetAddress iaddr)

    void  setSocketAddress(SocketAddress address)

    void  setPort(int iport)

  • 设置数据报数据

    void  setData(byte[] buf)

    void  setData(byte[] buf, int offset, int length)

    void  setLength(int length)

3. 通信步骤

发送端

  • 建立套接字。
  • 明确目标地址和端口号，建立带地址的数据报文。
  • 使用套接字发送数据报文。
  • 关闭套接字。

接收端

  • 明确端口号，建立带端口号套接字。
  • 建立接收的数据报文。
  • 使用套接字接收数据报文。
  • 关闭套接字。

4. 示例

UDP发送端


package net;

import java.io.IOException;

import java.net.DatagramPacket;

import java.net.DatagramSocket;

import java.net.InetAddress;

public class UDP_Send {

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

    /*

     * UDP发送端

     */

    System.out.println( "UDP发送端");

    // 获取本地IP地址

    InetAddress ip = InetAddress.getLocalHost();

    System.out.println( "Destination IP = " + ip.getHostAddress());

    // 1. 建立UDP的socket

    DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

    // 2. 将数据封装到数据包中

    byte[] buf = "hello UDP!".getBytes();

    DatagramPacket dp = new DatagramPacket( buf, buf.length , ip , 22222);

    // 3. 使用Socket对象的send方法将数据包发送出去

    ds.send(dp);

    // 4. 关闭资源。

    ds.close();

  }

}

UDP接收端


package net;

import java.io.IOException;

import java.net.DatagramPacket;

import java.net.DatagramSocket;

public class UDP_Receive {

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

    /*

     * UDP接收端

     */

    System.out.println( "UDP接收端");

    // 1. 建立UDP的socket

    DatagramSocket ds = new DatagramSocket(22222);

    // 2. 定义数据包方便接收数据

    byte[] buf = new byte[1024];

    DatagramPacket dp = new DatagramPacket( buf, buf.length );

    // 3. 使用Socket对象的receive方法阻塞接收数据

    ds.receive(dp);

    // 4. 获取接收到的数据

    String ip = dp.getAddress().getHostAddress();

    int port = dp.getPort();

    String data = new String( dp.getData(), 0, dp.getLength());

   

    System.out.println( "ip = " + ip + "\nport = " + port + "\ndata = " + data );

   

    // 4. 关闭资源。

    ds.close();

  }

}

实例

聊天室程序


package net;

import java.io.BufferedReader;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStreamReader;

import java.net.DatagramPacket;

import java.net.DatagramSocket;

import java.net.InetAddress;

import java.net.SocketException;

import java.net.UnknownHostException;

public class Test_ChatByUDP {

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

    // 创建用于发送和接收的套接字，端口33333只用于聊天室接收程序。

    DatagramSocket sendDs = new DatagramSocket();

    DatagramSocket receDs = new DatagramSocket(33333);

   

    // 创建广播地址

    InetAddress ip = InetAddress.getByName("192.168.1.255");

    // 创建发送和接收对象

    Send sd = new Send( sendDs, ip);

    Rece rc = new Rece( receDs);

    new Thread( sd).start();

    new Thread( rc).start();

  }

}

class Send implements Runnable {

  private DatagramSocket ds;

  private InetAddress ip;

  public Send(DatagramSocket ds, InetAddress ip) {

    super();

    this.ds = ds;

    this.ip = ip;

  }

  @Override

  public void run() {

    // 读取键盘录入

    BufferedReader br = new BufferedReader( new InputStreamReader(System.in ));

    String str = null;

    try {

      while (( str = br.readLine()) != null) {

        // 发送键盘录入的字符

        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(str.getBytes(), str .length(), ip , 33333);

        ds.send( dp);

        if ( "exit".equals(str )) {

          break;

        } else if ( "close".equals(str )) {

          break;

        }

      }

      ds.close();

    } catch (IOException e) {

      e.printStackTrace();

    }

  }

}

class Rece implements Runnable {

 

  private DatagramSocket ds;

  public Rece(DatagramSocket ds) {

    super();

    this.ds = ds;

  }

  @Override

  public void run() {

    while ( true) {

      byte[] buf = new byte[1024];

      DatagramPacket dp = new DatagramPacket( buf, buf.length );

     

      try {

        // 阻塞接收

        ds.receive( dp);

      } catch (IOException e) {

        e.printStackTrace();

      }

      // 获取发送方地址

      String ip = dp.getAddress().getHostAddress();

      String str = new String( dp.getData(), 0, dp.getLength());

      int port = dp.getPort();

      if ("exit".equals( str)) {

        // 判断发送字符

        System. out.println(ip + ":" + port + " 离开了聊天室！" );

      } else if ("close".equals( str)) {

        System. out.println(ip + ":" + port + " 请求关闭聊天室！" );

        break;

      } else {

        System. out.println(ip + ":" + port + " 说：" + str);

      }

    }

    ds.close();

    System.out.println( "聊天室已关闭！" );

  }

}
时间： 2024-08-09 06:33:57

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