Java网络编程中的TCP和UDP通信方式简介

发表于 | 分类于
字数统计: 2.5k | 阅读时长 ≈ 9

主要通过以下几个方面来解释两种方式的区别（enough talk and let’s look at some code）

  1. TCP方式和UDP的区别
  2. TCP的上层应用Socket实现：Socket，ServerSocket以及代码实现
  3. UDP的上层应用Socket实现：DatagramSocket，DatagramPacket以及代码实现



### 网络协议简介

通过上图知道不管是TCP还是UDP都是互联网络协议中的一层—传输层协议。

图中简单对网络协议做了分层，金典的网络协议是四层，这里给了不同的四层。

  1. 最底层的以太网协议规定了电子信号如何组成数据包（packet），解决了子网内部的点对点通信，但是以太网协议不能解决多个局域网如何互通，这由IP协议解决（IP协议可以连接多个局域网）
  2. IP协议定义了一套自己的地址规则，成为IP地址。它实现了路由功能，允许某个局域网的A主机，向另一个局域网的B主机发送消息（路由器就是基于IP协议，局域网之间靠路由器连接）。
  3. 路由的原理很简单。市场上所有的路由器，背后都有很多网口，要接入很多根网线，路由器内部有一张路由表，规定了A段IP地址走出口一，B段IP地址走出口二。…通过这套指路牌，实现了数据包的转发。
  4. IP协议只是一个地址协议，并不保证数据包的完整，如果路由器丢包（比如缓存满了，新进来的数据包就会丢失），就需要发现丢了哪一个包，以及如何重新发送这个包。这就要靠TCP协议了。

TCP协议

具体的TCP协议可能是一本书的内容，这里管中窥豹一下。简单来说，TCP协议的作用是，保证数据通信的完整性和可靠性，防止丢包。

原来，我们只是简单知道TCP协议的七次==连接==，三挥四别，这里我们来完整了解下他其中的原理。

TCP数据包大小

以太网数据包（pakage）的大小是固定的，最初是1518字节，后来增加到了1522字节。其中，1500字节是负载（payload），22字节是头信息（head）。IP数据包在以太网数据包的负载里面，它也有自己的头信息，最少20字节，所以IP数据包的负载最多1480字节，TCP数据包在IP数据包的负载里面，TCP的头也要占20字节，因此TCP数据包最大负载1460字节。由于，IP和TCP协议往往还有额外的头信心，所以TCP实际负载为1400字节左右，下图会清晰的表明这种关系：

因此，一条1500字节的信息需要两个TCP数据包来承载发送。==HTTP/2协议==的一大改进就是压缩了HTTP协议的头信息，使得一个HTTP请求可以放在一个TCP数据包里面，而不是分成多个，这样就提高了传输速度。

TCP数据包的编号（SEQ）

一个包1400字节，那么发送一个10M大小的数据包，需要发送7100多个包，发送的时候，TCP协议会给每个包编号，一边接收方按照顺序还原，万一发生丢包，也可以知道丢失的是哪个包。一般第一个包编号是随机的。假设我们叫第一个包编号为1号包，这个包负载100字节，那么可以推算出下一个包的编号应该是101，就是说，每个数据包都可以得到两个编号：一个自身的编号，及下一个数据包的编号。几首方由此知道，应该按照什么顺序将他们还原成原始文件。（可以用抓包工具抓来看）

TCP数据包的组装

收到TCP数据包以后，由操作系统来完成组装操作，应用程序是不会直接处理TCP数据包的，而是处理由他封装的例如HTTP协议的数据包。对应用程序来说，不用关心数据通信的细节，应用程序需要的数据放在了TCP数据包里面，有自己的格式（比如常见的HTTP协议），TCP不能标识原始文件大小，这个只能由应用层协议来规定，如HTTP头COntent-length，表示了信息体的大小。对于操作系统来说，就是持续的接收TCP数据包，将它们按照顺序组装好，一个包都不少。操作系统不会去处理TCP数据包里面的数据，一旦组装好TCP数据包，就把他们交给引用程序（怎么组装呢？？），TCP数据包里面有个端口（port）就是用来指定转交给监听该端口的应用程序。

如上图：系统根据TCP数据包中端口，将组装好的数据转交给相应的应用程序。如21端口是FTP服务器，25端口是SMTP（邮件协议）服务，80是Web服务器（常用的Http请求）。这些一般都是在服务端的。

慢启动和ACK

服务器发送数据包，当然越快越好，最好一次性全发出去。但是，发得太快，就有可能丢包。带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会导致丢包。线路不好的话，发得越快，丢得越多。最理想的状态是，在线路允许的情况下，达到最高速率。但是我们怎么知道，对方线路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢试。==TCP 协议为了做到效率与可靠性的统一，设计了一个慢启动（slow start）机制。开始的时候，发送得较慢，然后根据丢包的情况，调整速率：如果不丢包，就加快发送速度；如果丢包，就降低发送速度。==（NB）。Linux 内核里面设定了（常量==TCP_INIT_CWND==），刚开始通信的时候，发送方一次性发送10个数据包，即”发送窗口”的大小为10。然后停下来，等待接收方的确认，再继续发送。默认情况下，接收方每收到两个 TCP 数据包，就要发送一个确认消息。”确认”的英语是 acknowledgement，所以这个确认消息就简称 ACK。

  • ACK 携带两个信息。
    • 期待要收到下一个数据包的编号。
    • 接收方的接收窗口剩余容量

（图片说明：上图一共4次通信。第一次通信，A 主机发给B 主机的数据包编号是1，长度是100字节，因此第二次通信 B 主机的 ACK 编号是 1 + 100 = 101，第三次通信 A 主机的数据包编号也是 101。同理，第二次通信 B 主机发给 A 主机的数据包编号是1，长度是200字节，因此第三次通信 A 主机的 ACK 是201，第四次通信 B 主机的数据包编号也是201。）

即使对于带宽很大、线路很好的连接，TCP 也总是从10个数据包开始慢慢试，过了一段时间以后，才达到最高的传输速率。这就是 TCP 的慢启动。

数据包的遗失处理

丢包时有发生，TCP的可靠性是怎么保证的呢？简单来说：由于每一数据包都带有编号，如有下一个数据包没收到，那么ACK的编号就不会发生变化。

举例来说，现在收到了4号包，但是没有收到5号包。ACK 就会记录，期待收到5号包。过了一段时间，5号包收到了，那么下一轮 ACK 会更新编号。如果5号包还是没收到，但是收到了6号包或7号包，那么 ACK 里面的编号不会变化，总是显示5号包。==这会导致大量重复内容的 ACK==。如果发送方发现收到了==三个==连续重复的ACK，或者超时没收到任何ACK，就会确认丢包了，及5号包丢了，从而再次发送这个包，通过这种机制，TCP保证了不会有数据包丢失。==（好像TCP会丢包的）== 。下图比较形象说明了这个例子：

（图片说明：Host B 没有收到100号数据包，会连续发出相同的 ACK，触发 Host A 重发100号数据包。）

TCP连接

Java的TCP实现（Socket）

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
public void client() throws Exception {
       // InetAddress.getLocalHost()为客户端请求连接的主机号，此处设置为本地主机，服务进程的端口号是8090
       // 主机号和端口号唯一确定了唯一主机上面的唯一进程。
       Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8090);
       // socket.getOutputStream()获得输出流，通过输出流像主机发送数据。
       OutputStream os = socket.getOutputStream();
       os.write("黑猫呼叫白猫收到请回复!".getBytes());
       // 关闭数据输出，如果不关闭的话服务端并不知道数据传输已经结束还会一直等待。
       socket.shutdownOutput();
       // 接收server端发送的数据
       InputStream is = socket.getInputStream();
       int len = 0;
       byte[] b = new byte[1024];
       while ((len = is.read(b)) != -1) {
           String str = new String(b, 0, len);
           System.out.println(str);
       }
       is.close();
       os.close();
       socket.close();
   }
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

public void server() throws Exception {
        // 给服务端一个端口号8090使得客户端可以连接。
        ServerSocket ss = new ServerSocket(8090);
        // 接受客户端的连接
        Socket socket = ss.accept();
        // 获得客户端的输入流
        InputStream is = socket.getInputStream();
        // 输出client端发送的数据
        int len = 0;
        byte[] b = new byte[1024];
        while ((len = is.read(b)) != -1) {
            String str = new String(b, 0, len);
            System.out.println(str);
        }
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        // 通过输出流向客户端发送数据。
        os.write("黑猫这里是白猫，我已收到你的呼叫!".getBytes());
        os.close();
        // socket.shutdownOutput();
        is.close();
        socket.close();
        ss.close();
    }