TCP与UDP通信协议及Java实现

概述

TCP （Transmission Control Protocol）：传输控制协议

UDP（User Datagram Protocol）：用户数据报协议

TCP 与 UDP 都是 运输层（Transport Layer）上的因特网协议，运输层协议的功能就是为运行在不同主机上的应用进程之间提供 逻辑通信 ，使得运行不同进程的主机即使分隔于地球两侧，也能像是直接相连一样。

而具体做法是，它为来自应用层的报文添加上运输层首部来创建运输层报文段，这个首部中包含了以下信息



通过这些首部字段，不同主机之间的进程就可以通信了

UDP 为调用它的应用程序提供了一种 不可靠的 无连接 服务

TCP 为调用它的应用程序提供了一种 可靠的 面向连接 服务

UDP

UDP 可以说是一种极简的运输层协议，它的功能仅仅包括运输层必备的功能，即：多路复用/多路分解，差错检测

在后面的讲解中我们会知道 TCP 进行通信时，发送方与接收方先要进行“三次握手”来确认连接，而 UDP 则没有这一流程，所以说 UDP 是无连接的

在 TCP 中，如果消息没有成功发送，发送方是会收到发送失败的反馈的，而 UDP 中，发送方发出数据后无法确认是否成功发送，只能靠接收方是否回复信息来确认上一次发送成功与否，因此在应用 UDP 时，通常会加入一个延时，如果超过额定时间未收到回复，就重新发送

DNS（Domain Name System，域名系统）就是一个应用 UDP 的例子，当我们输入网址访问网站时，DNS 就是通过 UDP 发送域名查询报文的。所以，如果长时间没有得到回复，我们就会看到“连接超时”的错误页面。



UDP 检验和，就是用来做差错检验的数据。

方法实现是，发送方的 UDP 对报文段中的所有 16 比特字的和进行反码运算，求和时遇到溢出要回卷。

例：有 3 个
4000
16 比特字

0110 0110 0110 0000

0101 0101 0101 0101

1000 1111 0000 1100

①：前两个相加

0110 0110 0110 0000

0101 0101 0101 0101

————————————

1011 1011 1011 0101

②：和与第三个相加

1011 1011 1011 0101

1000 1111 0000 1100

————————————

(1)0100 1010 1100 0001

③：有溢出，进行回卷

0100 1010 1100 0001 + 1 = 0100 1010 1100 0010

④：转为反码，存入检验和

1011 0101 0011 1101

接收端收到数据后，会再次将数据取和，再与检验和相加，若结果为1111 1111 1111 1111则表示无差错，若出现 0 则表示有差错

UDP 虽然提供差错检测，但是不会进行错误修复，它要么直接丢弃错误段，要么将错误段上报应用程序

看到这里，不由得会产生一个疑问：UDP 这么的精简，功能不够强大，为什么还要用它呢？

原因是：

应用层能更好的控制要发送的数据和发送时间，实时性

无需建立连接，反应迅速

无连接状态，不需要维护连接状态，节省资源

分组首部开销小，节省数据段空间

TCP

应用 TCP 时，一个应用进程可以开始向另一个应用进程发送数据之前，这两个进程必须先进行“握手”，所以说，TCP 是面向连接的

TCP 连接提供的是 点对点，全双工服务

TCP 提供的是 可靠数据传输

TCP 通过使用 流量控制、序号、确认和定时器 等技术，确保正确地、按序地将数据从发送进程交付给接收进程

TCP 还提供了 拥塞控制 ，它允许 TCP 连接通过一条拥塞的网络链路，平等地共享网络链路带宽。

TCP 建立连接有三次握手



终止连接有四次握手



TCP 报文段结构

代码示例

UDP

UDPClient.java

package test;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

/**
* UDPCLient deom
* @author <dht925nerd@126.com>
*/
public class UDPClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
DatagramSocket clientSocket = new DatagramSocket();
BufferedReader inFromUser =
new BufferedReader(
new InputStreamReader(System.in)
);
//获取本地 IP 地址
InetAddress IPAddress = InetAddress.getLocalHost();
byte[] sendData;
byte[] receiveData = new byte[1024];
System.out.println("请输入一句英文，服务器会返回其大写形式（输入exit退出）");
while (true) {
String sentence = inFromUser.readLine();
if (sentence.equals("exit")) break;
sendData = sentence.getBytes();
//创建发送数据报包，并标注源地址#，目的地址#
DatagramPacket sendPacket =
new DatagramPacket(sendData, sendData.length, IPAddress, 9876);
//发送数据报包
clientSocket.send(sendPacket);
//创建接收数据报包
DatagramPacket receivePacket =
new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
//接收服务器的数据报包
clientSocket.receive(receivePacket);
String modifiedSentence = new String(receivePacket.getData());
System.out.println("FROM SERVER: " + modifiedSentence);
}
clientSocket.close();
}
}

UDPServer.java

package test;

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

/**
* UDPServer Demo
* @author <dht925nerd@126.com>
*/
public class UDPServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
DatagramSocket serverSocket =
new DatagramSocket(9876);
byte[] sendData;
SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
while (true) {
byte[] receiveData = new byte[1024];
//创建接收数据报包
DatagramPacket receivePacket =
new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);
//接收客户端数据报包
serverSocket.receive(receivePacket);
String sentence = new String(receivePacket.getData());
//获取客户端地址
InetAddress IPAddress = receivePacket.getAddress();
if (sentence != null) System.out.println(df.format(new Date()) + " from " + IPAddress + ": " + sentence );
//获得客户端端口号
int port = receivePacket.getPort();
String capitalizedSentence = sentence.toUpperCase();
sendData = capitalizedSentence.getBytes();
DatagramPacket sendPacket =
new DatagramPacket(sendData, sendData.length, IPAddress, port);
//向客户端发送数据报包
serverSocket.send(sendPacket);
}
}
}

测试方法：

① 先编译运行UDPServer.java

② 再运行 UDPClient.java

③ 在UDPClient的控制板面输入字符串，回车

④ 在UDPClient 和 UDPServer 控制板面观察运行信息

运行信息：

客户端



服务器端

TCP

TCPClient.java

package test;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.Socket;

/**
* TCPClient demo
* @author <dht925nerd@126.com>
*/
public class TCPClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String sentence;
String modifiedSentence;
System.out.println("请输入一个英文字符串，服务器将返回其大写形式（输入exit退出）");
while (true) {
BufferedReader inFromUser = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
//创建客户端 Socket 并指明需要连接的服务器端的主机名及端口号
Socket clientSocket = new Socket("localhost", 6789);
DataOutputStream outToServer = new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream());
BufferedReader inFromServer = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
sentence = inFromUser.readLine();
if (sentence.equals("exit")) break;
//向服务器发送数据
outToServer.writeBytes(sentence + '\n');
//接收服务器返回数据
modifiedSentence = inFromServer.readLine();
System.out.println("FROM SERVER: " + modifiedSentence);
clientSocket.close();
}
}
}

TCPServer.java

package test;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

/**
* TCPServer demo
* @author <dht925nerd@126.com>
*/
public class TCPServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
String clientSentence;
String capitalizedSentence;
SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
//创建服务器端 Socket 并指明端口号
ServerSocket welcomeSocket = new ServerSocket(6789);
while(true) {
//接收客户端连接
Socket connectionSocket = welcomeSocket.accept();
BufferedReader inFromClient = new BufferedReader(new InputStreamReader(connectionSocket.getInputStream()));
DataOutputStream outToClient = new DataOutputStream(connectionSocket.getOutputStream());
//获取客户端传入的字符串
clientSentence = inFromClient.readLine();
if (clientSentence != null)
System.out.println(df.format(new Date()) + " from " + connectionSocket.getInetAddress() + ": " + clientSentence );
capitalizedSentence = clientSentence.toUpperCase() + '\n';
//向客户端发送修改后的字符串
outToClient.writeBytes(capitalizedSentence);
}
}
}

测试方法：同上