聊聊UDP、TCP和实现一个简单的JAVA UDP小Demo

Java基础

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2020-6-13

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  最近真的比较忙,很久就想写了,可是一直苦于写点什么,今天脑袋灵光一闪,觉得自己再UDP方面还有些不了解的地方,所以要给自己扫盲。

  好了,咱们进入今天的主题,先列一下提纲:

  1. UDP是什么,UDP适用于什么场景?

  2. 写一个小Demo来加深一下UDP的理解。

  3. UDP和TCP的区别有哪些?

  4. TCP建连和关闭的过程,为什么建立连接的时候是三次握手,断开连接的时候需要四次?

  

  1. UDP是什么,UDP适用于什么场景?

  相信很多同学都听过UDP,UDP的全称:User Datagrame Protocol, 用户报文协议,是一个传输层协议。UDP最大的特点是:不可靠网络传输,无连接数据协议,即发送前不要连接,直接向目标地址发送。而TCP和UDP基本上是相互补充的,TCP是可靠的数据数据传输,基于连接后的数据发送。

  TCP是Transmission Control Protocol,传输控制协议,TCP是基于可靠的数据传输,那么就需要牺牲更多的延迟和网络带宽。而UDP则不需要可靠的数据传输,那么将会需要更小的网络延迟和网络开销。UDP可以允许丢弃延迟的数据包。由于低延迟低带宽,所以UDP非常适合电脑游戏,语音电话,视频电话,网络直播。

  我们接下来看一下UDP的Packet的组成(图片来源网络),8字节的Header,然后就是UDP的数据。本机如果作为客户端的话,本机的端口号为0-65535,也就是本机连接外部机器的话最多可以连接65536,0是保留端口号。如果作为服务端的话,可以使用的端口为2的32次方个端口。也就是可以接收的数据可以有这么多。当然,目前一台机器能处理的数据没有这么多。

  8字节的Header,很简单也比较少,不像TCP需要20-60字节的数据。

  Source port,源端口号,16位2个字节。

  Length, 数据的长度2个字节。

  Distination port, 目标端口,用于识别到目标机器的端口号。2个字节。

  Checksum, 用于计算Header的Checksum(校验值)。

  2. 写一个小Demo来加深一下UDP的理解。

  1) UDP的服务端代码,因为UDP的代码都是JDK自带的,所以也不需要引入其他jar包就可以。

  2)Server端主要创建步骤:

    a) 创建一个监听udp的端口号 8888.

    b) 创建一个用于接收数据的DatagramPacket,参数有两个,一个是数据,一个是数据的长度。

    c) 采用循环进行receive数据,直到收到的bye字符串。

package myflink.udp;

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

/**
 * @author huangqingshi
 * @Date 2020-05-24
 */
public class UDPServer {

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

        //1. 创建一个监听8888端口的udp socket
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(8888);
        //设置接收数据的最大值
        byte[] receive = new byte[65535];

        //用于接收的数据
        DatagramPacket datagramPacket = null;

        while(true) {
            //2. 创建一个用于接收数据。buf即数据和其长度
            datagramPacket = new DatagramPacket(receive,receive.length );

            //3. 接收byteBuff的数据
            ds.receive(datagramPacket);

            System.out.println("Client:-" + data(receive));

            //4. 如果接收到了bye,程序结束
            if("bye".equals(data(receive))) {
                break;
            }

            //5.清理receive中的数据
            receive = new byte[65535];

        }
    }

    public static StringBuilder data(byte[] bytes) {
        if(bytes == null) {
            return null;
        }

        StringBuilder ret = new StringBuilder();

        int i = 0;
        while (bytes[i] != 0)
        {
            ret.append((char) bytes[i]);
            i++;
        }
        return ret;
    }

}

  3)接下来是客户端的代码,步骤如下:

      a) 创建scanner用于在控制台进行数据输入,然后创建一个DatagramSocket用于处理数据。

    b)   创建一个DatagramPacket用于数据的发送。

    c)   进行数据发送。

    d)   持续发送数据,当收到bye字符串的话就会结束。

package myflink.udp;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.Scanner;

/**
 * @author huangqingshi
 * @Date 2020-05-24
 */
public class UDPClient {

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

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        InetAddress ip = InetAddress.getLocalHost();

        //1. 创建一个socket对象用于处理数据
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();

        //用于存放数据
        byte[] buf = null;

        //一个死循环,用于接收数据后处理,收到bye后结束处理
        while(true) {
            String input = scanner.nextLine();
            //将接收到的信息转换为byte数组
            buf = input.getBytes();

            //2. 创建一个DatagramPack包用于创建发送的数据
            DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(buf, buf.length, ip, 8888);

            //3. 发送数据
            socket.send(datagramPacket);

            //4. 如果收到了byte直接结束循环

            if("bye".equals(input)) {
                break;
            }

        }

    }

}

  启动服务端和客户端,然后再控制台输入一些测试数据,看一下服务端的控制台输出:

客户端输入数据
    Hello UDP
服务端的输出数据
    Client:-Hello UDP

  好了Demo已经执行完了,非常简单。

  3. UDP和TCP的区别有哪些?

  1. TCP是可靠的传输,而UDP是非可靠数据传输。因为可靠,所以需要更高的延迟和网络带宽。而UDP则不需要,所以比较适合语音、视频电话等。

  2. UDP的Header字节为8个字节,非常少,而TCP需要至少20个字节。

  3. TCP是全双工的,即可以发送接收数据,可以想象两个人打电话,即可以听到声音又可以发送声音。而UDP发送数据的时候才连接,发送完数据之后不会保留连接。

  4. TCP是点对点连接的,而UDP是多对多进行数据传输。TCP以字节流形式发送,有拥塞控制,方式发送数据量太大拥塞。而UDP是以报文形式发送给目标机器,没有拥塞控制。

  4. TCP建连和关闭的过程,为什么建立连接的时候是三次握手,断开连接的时候需要四次?

  1)三次握手建立连接处理:

  1. 首先创建连接时client需要发送一个SYN+随机sequence给 server 端,这是客户端的状态是SYN_SENT状态。

  2. server收到数据后会回复一个SYN+ACK,ACK为接收到的sequence+1,同时再发送一个sequence。server的状态为ACK_REVD。

  3. client再把收到的sequnce+1作为ACK再给到服务端,然后服务端和客户端的状态都是ESTABLISHED。说明连接建立了。

第二步中的SYN和ACK可以同时发送,这两个值同时发送不受影响,都可以建立连接。当然如果两步分开发送也是可以的,但是由于可以节省一步发送,所以不用多费事。

2)四次握手关闭连接处理:

  1. client发一个FIN和一个随机的sequence给server,然后客户端的状态变为FIN_WAIT_1状态。

  2. server收到了FIN后,状态变为CLOSE_WAIT,然后再把接收到的sequence+1和ACK标志返回给client。client收到ACK后变为FIN_WAIT2状态。

  3. 然后server再次给client发送一个FIN+sequence给client,此时客户端的状态变为TIME_WAIT状态。

  4. client再把收到的sequence + 1发送给server, 此时server的状态变为CLOSED。此时连接正式断开。

  这是客户端主动发起关闭连接的过程,还有同时发送FIN标志的情况。

  1. client发送FIN+sequence给server端,状态变为FIN_WAIT_1。

  2. server也发送FIN+sequence给client端,此时server的状态变为FIN_WAIT_1。client的接收FIN后变为CLOSING,同时server也变为CLOSING。

  3. client发送ACK+接收到的sequence+1给server。client的状态变为TIME_WAIT。

  4. server同时也发送ACK+接收到的seqnce+1给client。此时client和server都变为CLOSED。

整个过程是这么一个过程,那么为什么TCP连接的时候需要三次,而关闭的时候需要四次?

  因为建立连接的时候SYN+ACK可以同时发送,不影响连接建立。而关闭的时候FIN+ACK不能合起来,因为TCP是双向且全双工连接。也就是client和server建立好连接后,client和server即能发送信息同时也能接收信息。当client发送FIN给server的时候,只能说明客户端不给server发送数据了,但是不证明client不接收数据,所以给到server后,server处理好之后说我也不给你发数据了(FIN)。然后我已经你不给我发数据了(ACK),这个时候client收到后说知道了(ACK), 此时连接就关闭了。

 

好了,关于这篇就整理到这里,如果有不对的地方欢迎批评指正。

  

  

  

   

  

作者:黄青石