[网络协议]Socket 网络编程 TCP 和 UDP

一、什么是Socket 网络编程?

socket编程一种独立于协议的网络编程接口，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。

在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

二、TCP/IP 网络模型

计算机与网络设备要相互通信，双方就必须基于相同的方法。比如，如何探测到通信目标、由哪一边先发起通信、使用哪种语言进行通信、怎样结束通信等规则都需要事先确定。不同的硬件、操作系统之间的通信，所有的这一切都需要一种规则。而我们就把这种规则称为协议（protocol）。

TCP/IP 是互联网相关的各类协议族的总称，比如：TCP，UDP，IP，FTP，HTTP，ICMP，SMTP 等都属于 TCP/IP 族内的协议。

TCP/IP模型是互联网的基础，它是一系列网络协议的总称。这些协议可以划分为四层，分别为链路层、网络层、传输层和应用层。

• 链路层：负责封装和解封装IP报文，发送和接受ARP/RARP报文等。
• 网络层：负责路由以及把分组报文发送给目标网络或主机。
• 传输层：负责对报文进行分组和重组，并以TCP或UDP协议格式封装报文。
• 应用层：负责向用户提供应用程序，比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

在网络体系结构中网络通信的建立必须是在通信双方的对等层进行，不能交错。 在整个数据传输过程中，数据在发送端时经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾（仅数据链路层需要封装协议尾）部分，也就是要对数据进行协议封装，以标识对应层所用的通信协议。接下去介绍TCP/IP 中有两个具有代表性的传输层协议----TCP 和 UDP。

三、TCP

当一台计算机想要与另一台计算机通讯时，两台计算机之间的通信需要畅通且可靠，这样才能保证正确收发数据。例如，当你想查看网页或查看电子邮件时，希望完整且按顺序查看网页，而不丢失任何内容。当你下载文件时，希望获得的是完整的文件，而不仅仅是文件的一部分，因为如果数据丢失或乱序，都不是你希望得到的结果，于是就用到了TCP。

TCP协议全称是传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由 IETF 的RFC 793定义。

TCP 是面向连接的、可靠的流协议。流就是指不间断的数据结构，你可以把它想象成排水管中的水流。

?

?三次握手连接

第一次握手

客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段中包含自身的数据通讯初始序号。请求发送后，客户端便进入 SYN-SENT 状态。

第二次握手

服务端收到连接请求报文段后，如果同意连接，则会发送一个应答，该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号，发送完成后便进入 SYN-RECEIVED 状态。

第三次握手

当客户端收到连接同意的应答后，还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入 ESTABLISHED 状态，服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态，此时连接建立成功。

TCP协议的特点

• 面向连接

  面向连接，是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”，这样能建立可靠的连接。建立连接，是为数据的可靠传输打下了基础。

• 仅支持单播传输

每条TCP传输连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播和广播传输方式。

• 面向字节流

TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。

• 可靠传输

  对于可靠传输，判断丢包，误码靠的是TCP的段编号以及确认号。TCP为了保证报文传输的可靠，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK)；如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认，那么对应的数据（假设丢失了）将会被重传。

• 提供拥塞控制

当网络出现拥塞的时候，TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量，缓解拥塞

• TCP提供全双工通信

TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。当然，TCP可以立即发送一个数据段，也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段（最大的数据段大小取决于MSS）

?TCP客户端

public class TcpClient {

    public static void main(String[] args) {
        Socket socket = null;
        OutputStream out = null;
        DataOutputStream dataOut = null;
        InputStream in = null;
        DataInputStream dataInput = null;
        try {
            socket = new Socket("127.0.0.1",6666);
            //写入
            out = socket.getOutputStream();
            dataOut = new DataOutputStream(out);
            dataOut.writeUTF("hello server！ 我是客户端");

            //读取
            in = socket.getInputStream();
            dataInput = new DataInputStream(in);
            String content = dataInput.readUTF();
            System.out.println(content);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                dataOut.close();
                out.close();

                dataInput.close();
                in.close();

                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }

    }
}

?TCP服务端： 服务端需要有至少两个socket，

一个用来连接客户端，下图中为serverSocket.accept()

每成功连接到一个客户端便产生一个负责通信的socket

?

public class TcpServer {
    public static void main(String[] args) {
        ServerSocket serverSocket = null;
        Socket socket = null;
        InputStream in = null;
        DataInputStream dataInput = null;
        OutputStream out = null;
        DataOutputStream dataOut = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(6666);
            socket = serverSocket.accept();       //等待客户端连接

            //读取
            in = socket.getInputStream();
            dataInput = new DataInputStream(in);
            String content = dataInput.readUTF();
            System.out.println(content);
            //写入
            out = socket.getOutputStream();
            dataOut = new DataOutputStream(out);
            dataOut.writeUTF("hello client！ 我是服务器端");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                dataInput.close();
                in.close();

                dataOut.close();
                out.close();

                socket.close();
                serverSocket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

四、UDP

UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层——传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。

它有以下几个特点：

1. 面向无连接

首先 UDP 是不需要和 TCP一样在发送数据前进行三次握手建立连接的，想发数据就可以开始发送了。并且也只是数据报文的搬运工，不会对数据报文进行任何拆分和拼接操作。

具体来说就是：

• 在发送端，应用层将数据传递给传输层的 UDP 协议，UDP 只会给数据增加一个 UDP 头标识下是 UDP 协议，然后就传递给网络层了
• 在接收端，网络层将数据传递给传输层，UDP 只去除 IP 报文头就传递给应用层，不会任何拼接操作

2. 有单播，多播，广播的功能

UDP 不止支持一对一的传输方式，同样支持一对多，多对多，多对一的方式，也就是说 UDP 提供了单播，多播，广播的功能。

3. UDP是面向报文的

发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。因此，应用程序必须选择合适大小的报文

4. 不可靠性

首先不可靠性体现在无连接上，通信都不需要建立连接，想发就发，这样的情况肯定不可靠。

并且收到什么数据就传递什么数据，并且也不会备份数据，发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。

再者网络环境时好时坏，但是 UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP。

5. 头部开销小，传输数据报文时是很高效的。

UDP 头部包含了以下几个数据：

• 两个十六位的端口号，分别为源端口（可选字段）和目标端口
• 整个数据报文的长度
• 整个数据报文的检验和（IPv4 可选 字段），该字段用于发现头部信息和数据中的错误

因此 UDP 的头部开销小，只有八字节，相比 TCP 的至少二十字节要少得多，在传输数据报文时是很高效的

UDP客户端：发送方

DatagramSocket:用于接收和发送数据包

InetAddress.getByName("127.0.0.1");//用来作为数据包的发送地址

DatagramPacket：数据包

????????????????????????????????参数1：字节数组数据

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 参数2，3：0-数组长度

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 参数4：发送地址

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 参数5：服务器端口号

public class UdpSend {
    public static void main(String[] args) {
        DatagramSocket socket = null;//DatagramSocket只能用来接收和发送数据包:DatagramPacket
        try {
            socket = new DatagramSocket();

            byte[] data = "UDP数据包，请查收！".getBytes("UTF-8");
            InetAddress ip = InetAddress.getByName("127.0.0.1");//用来作为数据包的发送地址
            //数据包构造
//                参数1：字节数组，用来存储发送的数据
//                参数2：offset:0,数组长度，用来截取发送的数据长度
//                参数3：ip地址
//                参数4：端口号
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data,0,data.length,ip,8888);

            socket.send(packet);//发送数据包
        } catch (SocketException | UnknownHostException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            socket.close();
        }
    }
}

UDP客户端：服务端

public class UdpReceive {
    public static void main(String[] args) {
        DatagramSocket socket= null;
        try {
            socket = new DatagramSocket(8888);//本机默认ip，绑定8888端口
            byte[] data = new byte[100];
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data,0,data.length);
            socket.receive(packet); //接收数据包，没有接收到数据包，就会阻塞
            String content = new String(data,0,data.length);
            System.out.println(content);
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            socket.close();
        }
    }
}

五、TCP和UDP的比较

1. 对比

2. 总结

• TCP向上层提供面向连接的可靠服务 ，UDP向上层提供无连接不可靠服务。
• 虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确，但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为
• 对数据准确性要求高，速度可以相对较慢的，可以选用TCP