Java-网络编程

Java-网络编程

1、概述

1.1、什么是网络？

​ 网络，一组相互连接的计算机，多台计算机组成，使用物理线路进行连接。

1.2、网络编程三要素

1.2.1、IP地址

• 定义：要想使用网络中的计算机能够相互通信，必须为每台计算机指定一个唯一标识号，通过这个标识号来指定接收或者发送数据的计算机。

• 分类：IPv4和IPv6

  • IPv4:目前广泛使用的便是IPv4版本，它是由4个字节大小的二进制数表示，如：00001010000000000000000000000001，由于二进制不方便记忆和处理，因此通常会将它写成十进制的形式，比如：“192.168.0.1”。

  • IPv6：由于网络规模不断扩大，IPv4表示的ip地址即将面临枯竭，因此IPv6应运而生。它是由16个字节表示，地址数量是2的128次方，号称能为地球的每一粒沙子编上一个地址。同样为了方便记忆和处理，通常将它写成十六进制的形式。

• IP地址=网络ID+主机ID

  网络id：标识计算机或网络设备所有的网段

  主机id：标识特定的主机或网络设备

特殊地址：

• 127.0.0.1：本机回环地址，用于本机测试

• 255.255.255.255:当前子网，一般用于当前子网广播信息

1.2.2、端口

• 端口号：一个虚拟的概念，使用0-65535之间的整数，用于标识不同的应用程序。
• ip地址与端口号之间的关系如下图所示，网络中的一台源计算机通过ip地址找到目标计算机，再通过端口号与目标计算机上的某个应用程序进行通信。

1.2.3、通信协议

• 通过计算机网络可以实现多台计算机之间的连接通讯，这些连接和通讯的规则被称为网络通讯协议，它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定，通讯双方必须同时遵守才能完成数据交换。

• OSI协议

  ​ OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互联。 一般都叫OSI参考模型，是ISO（国际标准化组织）组织在1985年研究的网络互连模型。

  ​ ISO为了更好的使网络应用更为普及，推出了OSI参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范，就能互联了。

• TCP/IP五层模型

  • 简介： TCP/IP传输协议，即传输控制/网络协议，也叫作网络通讯协议。它是在网络的使用中的最基本的通信协议。TCP/IP传输协议对互联网中各部分进行通信的标准和方法进行了规定。并且，TCP/IP传输协议是保证网络数据信息及时、完整传输的两个重要的协议。TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构，应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含其中。

  • 与OSI之间的关系

    

• 链路层：用于定义物理传输通道，通常是对某些网络连接设备的驱动协议，例如针对光纤，网线提供的驱动。

• 网络层：是整个 TCP/IP 协议的核心，主要用于将传输的数据进行分组，将分组数据发送到目标计算机或网络中，有四个协议
  1、网际协议IP：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包；
  2、地址解析协议ARP：获得同一物理网络中的硬件主机地址；
  3、网际控制消息协议ICMP：发送消息，并报告有关数据的传输错误；
  4、互联组管理协议IGMP：是一种旨在防止多点传送通信在网络中滥用的控制数据包，即只允许数据包发送到它请求它的计算机

• 传输层：主要使用网络程序进行端到端的通讯，主要使用 TCP 和 UDP，也是网络编程所处的层。

  1、控制传输协议TCP：为应用程序提供可靠的通信连接，适合一次性传输大批数据的情况，并适用于要求得到响应的应用程序。
  2、用户数据包协议UDP：提供了无连接的通信，不对传送数据包进行可靠保证。适合一次传输少量数据，可靠性由应用层来负责。

• 应用层：主要负责应用程序的协议，如 HTTP 协议、FTP 协议等

2、InetAddress类

​ 在Java JDK中，提供了一个InetAddress类，该类用于封装一个IP地址，并提供了一系列与IP地址相关的方法，常用方法有：

• static InetAddress getLocalHost()：用于获得本地的 InetAddress 对象
• static InetAddress getByName(String host)：用于获得指定主机的 InetAddress 对象
• String getHostName()：获得此 IP 地址的主机名
• String getHostAddress()：返回 IP 地址字符串

public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {
        //获取InetAddress对象
        InetAddress host=InetAddress.getLocalHost();
        System.out.println(host);
        //获取制定主机的InetAddress对象
        InetAddress remote=InetAddress.getByName("www.baidu.comm");
        System.out.println(remote);
        //获取本机的 IP 地址的主机名和 IP 地址字符串
        System.out.println(host.getHostName());
        System.out.println(host.getHostAddress());

        //获取百度的 IP 地址的主机名和 IP 地址字符串
        System.out.println(remote.getHostName());
        System.out.println(remote.getHostAddress());

    }

3、TCP协议与UDP协议

• TCP是Transmission Control Protocol的简称，称为传输控制协议
• UDP是User Datagram Protocol的简称，称为用户数据报协议

3.1、TCP协议

​ TCP协议是面向连接的通信协议，即在传输数据前先在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。在TCP连接中必须要明确客户端与服务器端，由客户端向服务端发出连接请求，每次连接的创建都需要经过“三次握手”，而断开连接需要经过“四次挥手”

​ 由于TCP协议的面向连接特性，它可以保证传输数据的安全性，所以是一个被广泛采用的协议，例如在下载文件时，如果数据接收不完整，将会导致文件数据丢失而不能被打开，因此，下载文件时必须采用TCP协议。

3.1.1、三次握手

• 第一次握手：客户端向服务器发出连接请求，等待服务器确认
• 第二次握手：服务器向客户端发送一个相应，通知客户端收到了请求连接
• 第三次握手：客户端再次向服务器发送确认信息，确认连接
  

3.1.2、四次挥手

• 第一次挥手：服务端确认客户端需要断开连接
• 第二次挥手：客户端确认服务端接收断开请求
• 第三次挥手：客户端确认服务端数据发完
• 第四次挥手：服务端确认客户端断开连接

3.2 UDP协议

​ UDP是无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据。

​ 由于使用UDP协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输例如视频会议都使用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。

​ 但是在使用UDP协议传送数据时，由于UDP的面向无连接性，不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议。

4、TCP通信

​ TCP 通信，实现两台计算机之间的通信，通信的两端都要创建 socket 对象，在通信时，严格区分客户端与服务端，遵从“三次握手”和“四次挥手”原则，先由客户端去连接服务器才能实现通信，服务端不可以主动连接客户端，并且服务端程序需要事先启动，等待客户端的连接。在Java JDK中提供了两个类用于实现 TCP 程序，ServerSocket 类和 Socket 类。

• ServerSocket类：用于标识服务端
• Socket类：用于标识客户端

通信时，首先创建代表服务器端的ServerSocket对象，该对象相当于开启一个服务，并等待客户端的连接，然后创建代表客户端的Socket对象向服务器端发出连接请求，服务器端响应请求，两者建立连接开始通信。

4.1、ServerSocket类（实现服务端）

​ 在开发 TCP 程序时，首先需要创建服务端程序，Java JDK 的 java.net 包中提供了一个 ServerSocket 类，该类的实例化对象可以实现一个服务器端的程序，在 ServerSocket 类中提供了多种方法，常用的方法有：

• ServerSocket(int port)：构造方法，创建 ServerSocket 对象，将其绑定到一个指定的端口号上

• Socket accept()：侦听并接受到此套接字的连接

• InetAddress getInetAddress()：返回此服务器套接字的本地地址

  ​ ServerSocket 对象负责监听某台计算机的某个端口号，在创建 ServerSocket 对象后，需要继续调用该对象的 accept() 方法，接收来自客户端的请求。当执行了 accept() 方法之后，服务器端程序会发生阻塞，直到客户端发出连接请求，accept() 方法才会返回一个Scoket 对象用于和客户端实现通信，程序才能继续向下执行。

4.2、Socket 类（实现客户端）

​ 根据上面 ServerSocket 对象可以实现服务端程序，此时还需要一个客户端程序与之交互，为此，Java JDK 提供了一个 Socket 类，用于实现 TCP 客户端程序。Socket 类同样提供了多种方法：

• Socket(String host，int port)：构造方法，创建 Socket 对象，会根据参数去连接在指定地址和端口上运行的服务器程序

• Socket(InetAddress address，int port)：构造方法，创建 Socket 对象，参数 address 用于接收一个 InetAddress 类型的对象，该对象用于封装一个 IP 地址

• int getPort()：返回一个 int 类型对象，该对象是 Socket 对象与服务器连接的端口号

• InetAddress getLoclAddress()：获取 Socket 对象绑定的本地 IP 地址，并将 IP 地址封装成 InetAddress 类型的对象返回

• void close()：关闭 Socket 连接，结束本次通信。在关闭 Socket 之前，应将与socket相关的所有输入/输出流全部关闭

• InputStream getInputStream()：返回一个 InputStream 类型的输入流对象，如果该对象是由服务器的 Socket 返回，就用于读取客户端发送的数据，反之，用于读取服务器端的数据

• OutputStream getOutputStream()：返回一个 OutputStream 类型的输出流对象，如果该对象是由服务器的 Socket 返回，就用于向客户端发送数据，反之，用于向服务器端发送数据

  ​ 在 Socket 类的常用方法中，getInputStream() 和 getOutputStrea m() 方法分别用于获取输入流和输出流，当客户端和服务端建立连接后，数据是以 IO 流的形式进行交互的，从而实现通信。如图：

5、TCP实操案例

5.1、TCP通信实例

服务端：

• 创建 ServerSocket 服务器对象
• 开启服务器了，等待客户端的连接，当客户端连接后，可以获取到连接服务器的客户端Socket对象
• 给客户端反馈信息

public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1、创建serverSocket服务器对象
        ServerSocket ss=new ServerSocket(8888);
        //2、开启服务器，等待客户连接
        Socket soc = ss.accept();
        //3、给客户端反馈信息
        /*
         * a、获取客户端的输出流
         * b、在服务端端，通过客户端的输出流写数据给客户端
         */
        //a、获取客户端的输出流
        OutputStream OS = soc.getOutputStream();
        //b、在服务端端，通过客户端的输出流写数据给客户端
        OS.write("恭喜你已连接上服务器！".getBytes());
        //4、关闭流资源
        soc.close();
        OS.close();


    }

客户端：

• 创建客户端Socket对象,（指定要连接的服务器地址与端口号）
• 获取服务器端的反馈回来的信息
• 关闭流资源

 public static void main(String[] args) throws IOException {
        //获取本地地址
        String address=InetAddress.getLocalHost().getHostAddress();
        System.out.println("adress="+address);
        //创建客户单Socket对象（要连接的服务器地址和端口号）
        Socket s=new Socket(address,8888);
        //获取服务器返回来的消息：
        InputStream IS=s.getInputStream();

        //获取获取流中的数据
        byte[] buffer= new byte[1024];
        int lenth=IS.read(buffer);

        //将流中的数据转换为字符串
        String str=new String(buffer,0,lenth);
        System.out.println(str);
        //关闭资源
        IS.close();
        s.close();
    }

5.2、TCP文件上传

服务端：

• 创建服务器连接
• 等待客户连接
• 获取输入流
• 输出文件
• 关闭流

public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1、创建serverSocket服务器对象
        ServerSocket ss=new ServerSocket(8888);
        //2、开启服务器，等待客户连接
        Socket soc = ss.accept();
        //3、获取输入流
        InputStream is=soc.getInputStream();
        File f=new File("recive");
        FileOutputStream fls=new FileOutputStream(f);
        //4、输出文件
        byte[] buffer=new byte[1024];
        int lenth=is.read(buffer);
        while(lenth!=-1){
            fls.write(buffer,0,lenth);
        }
        //5、关闭流资源
         is.close();
        fls.close();
        soc.close();
        ss.close();

客户端：

• 创建连接
• 读取文件
• 发送文件数据
• 关闭流

public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1、创建一个Socket连接
        Socket s=new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"),8888);
        //2、创建一个输出流
        OutputStream os=s.getOutputStream();
        //读取文件
        FileInputStream fls=new FileInputStream(new File("文件路径"));
        //写出文件
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len=fls.read(buffer);
        while(len!=-1){
            os.write(buffer,0,len);
        }
        os.close();
        fls.close();
        s.close();
    }

6、UDP通信

​ UDP 通信和 TCP 通信一样，都能实现两台计算机之间的通信，通信的两端都要创建 socket 对象，主要区别在于 UDP 中只有发送端和接收端，不分客户端和服务端，计算机之间可以任意的发送数据。在通信时发送端和接收端不用建立连接，为此，Java JDK 中提供了 DatagramPacket 类和 DatagramSocket 类来实现 UDP 通信。

6.1、DatagramPacket 类

​ DatagramPacket 类负责数据封装，就相当于一个集装箱，用于封装 UDP 通信中发送和接收的数据，在创建发送端和接收端 DatagramPacket 对象时，使用的构造方法有所不同：接收端不需要明确知道数据的来源，只需要接收到数据即可；而发送数据必须指定接收端的 IP 地址和端口号。
(1) 构造方法

• DatagramPacket (byte[] buf，int length)：接收端构造方法，接收一个字节数组来存放接收到的数据
• DatagramPacket (byte[] buf，int length，InetAddress address，int port)：发送端构造方法，接收存放发送数据的字节数组和指定发送端 IP 地址和端口号

(2) 常用方法

• InetAddress getAddress()：返回某台计算机的 IP 地址
• int getPort()：返回某台远程主机的端口号
• byte[] getData()：返回数据缓冲区
• int getLength()：返回将要发送或接收到的数据长度

6.2、DatagramSocket 类

​ DatagramSocket 类负责数据的收发，其实例化对象可以发送和接收 DatagramPacket 数据包，在创建发送端和接收端的 DatagramSocket 对象时，使用的构造方法也有所不同

(1) 构造方法

• DatagramSocket()：没有指定端口号，系统会分配一个没有被其它网络程序所使用的端口号
• DatagramSocket(int port)：指定一个端口号创建对象，可以监听指定的端口

(2) 常用方法

• void receive(DatagramSocket p)：从此套接字接收数据包
• void send(DatagramSocket p)：从此套接字发送数据包

7.UDP实操案例

7.1、通信实例

​ UDP 通信的实现需要创建一个发送端程序和一个接收端程序，在通信时只有先接收端程序先运行，才能避免因发送端发送的数据无法接收，而造成数据丢失，因此要先完成接收端程序的编写

发送端：

• 创建 DatagramPacket 对象，并封装数据
• 创建 DatagramSocket 对象
• 调用 DatagramSocket 对象方法 send() 发送数据
• 释放流资源

 //1、创建DatagramPacket对象，并封装数据
        byte[] buf="接收端你好，我是发送端".getBytes();
        //1.1创建IneAddress对象，封装自己的ip信息
        InetAddress inetAddress=InetAddress.getLocalHost();
        DatagramPacket datagramPacket=new DatagramPacket(buf,buf.length,inetAddress,8888);
        //2、创建DatagramSocket对象
        DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();
        //发送数据
        datagramSocket.send(datagramPacket);
        datagramSocket.close();

接收端：

• 创建 DatagramSocket 对象，绑定端口号（和发送端一致）
• 创建字节数组，接收发来的数据
• 创建数据包 DatagramPacket 对象
• 调用 DatagramSocket 对象方法 receive(DatagramPacket DP) 接收数据
• 获取 DatagramPacket 对象内容：拆包
• 发送的 IP 地址
• 接收到的字节内容及个数
• 发送端的端口号
• 释放流资源

 public static void main(String[] args) throws Exception {
        //1,创建DatagramSocket对象
        DatagramSocket DS = new DatagramSocket(8888);
        //2,创建DatagramPacket对象
        byte[] buffer = new byte[1024];
        DatagramPacket DP = new DatagramPacket(buffer,1024);
        //3,调用 DatagramSocket 对象方法 receive(DatagramPacket DP) 接收数据
        DS.receive(DP);
        //4,获取DatagramPacket对象的内容进行拆包
        InetAddress ipAddress = DP.getAddress();
        System.out.println(ipAddress);
        //获取发送的 IP 地址
        String IP = ipAddress.getHostAddress();
        //接收到的字节内容及个数
        byte[] data = DP.getData();
        int length = DP.getLength();
        String dataStr = new String(data,0,length);
        System.out.println("IP地址："+IP+ "数据是"+ dataStr);
        //5,释放流资源
        DS.close();
    }

7.2、多线程聊天

接收方：

public class ThreadRev implements Runnable{
    DatagramSocket socket=null;
    private int port;
    String fromMsg;
    public ThreadRev(int port,String fromMsg){
        this.port=port;
        this.fromMsg=fromMsg;
        try {
            socket=new DatagramSocket(port);
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            try {
                byte[] buffer = new byte[1024];
                DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, 0, buffer.length);
                socket.receive(packet);//阻塞式接收
                //断开连接
                byte[] data = packet.getData();
                String receveData = new String(data, 0, data.length);
                System.out.println(this.fromMsg + ": " + receveData);
                if (receveData.equals("bye")) {
                    break;
                }

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

        }
        socket.close();
    }
}

发送方：

public class ThreadSend implements Runnable {
 
    int toport;
    String ip;
    BufferedReader br=null;
    DatagramSocket socket=null;
    public TreadSend(int toport,String ip)  {
        this.toport=toport;
        this.ip=ip;
        try {
            socket=new DatagramSocket();
            br=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    @Override
    public void run(){

        //准备数据

       while (true){
           String data= null;
           try {
               data = br.readLine();
               System.out.println("data"+data);
               byte[] bytes = data.getBytes();
               DatagramPacket packet=new DatagramPacket(bytes,0,bytes.length,new InetSocketAddress(this.ip,this.toport));
               socket.send(packet);
           } catch (IOException e) {
               e.printStackTrace();
           }

           if(data.equals("bye")){
               break;
           }
       }
        socket.close();

    }

启动线程

 public static void main(String[] args) {
        //开启四个线程
        //学生
        new Thread(new TreadRun(9999,"localhost")).start();
        new Thread(new ThreadRev(7777,"老师")).start();
        //老师
        new Thread(new TreadRun(7777,"localhost")).start();
        new Thread(new ThreadRev(9999,"学生")).start();
    }

8、TCP 和 UDP的区别

• TCP面向有连接，即发送数据前要建立连接（三次握手）；UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
• TCP提供可靠的服务。通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达；UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付
• TCP面向字节流，把数据看成一连串无结构的字节流；UDP是面向报文的，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）
• 每一条TCP连接只能是点到点的；UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
• TCP首部开销20字节；UDP的首部开销小，只有8个字
• TCP要求系统资源较多；UDP较少
• TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道；UDP则是不可靠信道