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【JAVASE】网络编程

1.网络编程入门

1.1软件结构

  • C/S结构 :全称为Client/Server结构,是指客户端和服务器结构。常见程序有QQ、迅雷等软件。
  • B/S结构 :全称为Browser/Server结构,是指浏览器和服务器结构。常见浏览器有谷歌、火狐等。

两种架构各有优势,但是无论哪种架构,都离不开网络的支持。网络编程,就是在一定的协议下,实现两台计算机的通信的程序。

1.2 网络通信协议

  • **网络通信协议:**通信协议是对计算机必须遵守的规则,只有遵守这些规则,计算机之间才能进行通信。这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样,协议中对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定,通信双方必须同时遵守,最终完成数据交换。

  • TCP/IP协议: 传输控制协议/因特网互联协议( Transmission Control Protocol/Internet Protocol),是Internet最基本、最广泛的协议。它定义了计算机如何连入因特网,以及数据如何在它们之间传输的标准。它的内部包含一系列的用于处理数据通信的协议,并采用了4层的分层模型,每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。

1.3 协议分类

通信的协议还是比较复杂的,java.net 包中包含的类和接口,它们提供低层次的通信细节。我们可以直接使用这些类和接口,来专注于网络程序开发,而不用考虑通信的细节。

java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持:

  • TCP:传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。TCP协议是面向连接的通信协议,即传输数据之前,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。

    • 三次握手:TCP协议中,在发送数据的准备阶段,客户端与服务器之间的三次交互,以保证连接的可靠。

      • 第一次握手,客户端向服务器端发出连接请求,等待服务器确认。服务器你死了吗?

      • 第二次握手,服务器端向客户端回送一个响应,通知客户端收到了连接请求。我活着啊!!

      • 第三次握手,客户端再次向服务器端发送确认信息,确认连接。整个交互过程如下图所示。我知道了!!

    完成三次握手,连接建立后,客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性,TCP协议可以保证传输数据的安全,所以应用十分广泛,例如下载文件、浏览网页等。

  • UDP:用户数据报协议(User Datagram Protocol)。UDP协议是一个面向无连接的协议。传输数据时,不需要建立连接,不管对方端服务是否启动,直接将数据、数据源和目的地都封装在数据包中,直接发送。每个数据包的大小限制在64k以内。它是不可靠协议,因为无连接,所以传输速度快,但是容易丢失数据。日常应用中,例如视频会议、QQ聊天等。

1.4 网络编程三要素

协议

  • **协议:**计算机网络通信必须遵守的规则,已经介绍过了,不再赘述。

IP地址

  • IP地址:指互联网协议地址(Internet Protocol Address),俗称IP。IP地址用来给一个网络中的计算机设备做唯一的编号。假如我们把“个人电脑”比作“一台电话”的话,那么“IP地址”就相当于“电话号码”。

**IP地址分类 **

  • IPv4:是一个32位的二进制数,通常被分为4个字节,表示成a.b.c.d 的形式,例如192.168.65.100 。其中a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数,那么最多可以表示42亿个。

  • IPv6:由于互联网的蓬勃发展,IP地址的需求量愈来愈大,但是网络地址资源有限,使得IP的分配越发紧张。有资料显示,全球IPv4地址在2011年2月分配完毕。

    为了扩大地址空间,拟通过IPv6重新定义地址空间,采用128位地址长度,每16个字节一组,分成8组十六进制数,表示成ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789,号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个网址,这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。

常用命令

  • 查看本机IP地址,在控制台输入:
ipconfig
  • 检查网络是否连通,在控制台输入:
ping 空格 IP地址
ping 220.181.57.216
ping www.baidu.com

特殊的IP地址

  • 本机IP地址:127.0.0.1localhost

端口号

网络的通信,本质上是两个进程(应用程序)的通信。每台计算机都有很多的进程,那么在网络通信时,如何区分这些进程呢?

如果说IP地址可以唯一标识网络中的设备,那么端口号就可以唯一标识设备中的进程(应用程序)了。

  • **端口号:用两个字节表示的整数,它的取值范围是065535**。其中,01023之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用,普通的应用程序需要使用1024以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用,会导致当前程序启动失败。

利用协议+IP地址+端口号 三元组合,就可以标识网络中的进程了,那么进程间的通信就可以利用这个标识与其它进程进行交互。

/**
    InetAddress类概述
        * 一个该类的对象就代表一个IP地址对象。

    InetAddress类成员方法
        * static InetAddress getLocalHost()
            * 获得本地主机IP地址对象
        * static InetAddress getByName(String host)
            * 根据IP地址字符串或主机名获得对应的IP地址对象

        * String getHostName();获得主机名
        * String getHostAddress();获得IP地址字符串
 */
public class InetAddressDemo01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获得本地主机IP地址对象
        InetAddress inet01 = InetAddress.getLocalHost();
        // pkxingdeMacBook-Pro.local/10.211.55.2
        // 主机名/ip地址字符串
        System.out.println(inet01);
        // 根据IP地址字符串或主机名获得对应的IP地址对象
        // InetAddress inet02 = InetAddress.getByName("192.168.73.97");
        InetAddress inet02 = InetAddress.getByName("baidu.com");
        System.out.println(inet02);

        // 获得主机名
        String hostName = inet01.getHostName();
        System.out.println(hostName);
        // 获得IP地址字符串
        String hostAddress = inet01.getHostAddress();
        System.out.println(hostName);
        System.out.println(hostAddress);
    }
}

2.UDP通信程序

2.1 UDP协议概述

​ 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。UDP通信过程如下图所示:

2.2 UDP协议的特点

  • 面向无连接的协议
  • 发送端只管发送,不确认对方是否能收到。
  • 基于数据包进行数据传输。
  • 发送数据的大小限制64K以内
  • 因为面向无连接,速度快,但是不可靠。

2.3 UDP协议的使用场景

  • 即时通讯
  • 在线视频
  • 网络语音电话

2.4 UDP协议相关的两个类

DatagramPacket

  • 数据包对象
  • 作用:用来封装要发送或要接收的数据,比如:集装箱

DatagramPacket类构造方法

  • DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)
    * 创建发送端数据包对象
    * buf:要发送的内容,字节数组
    * length:要发送内容的长度,单位是字节
    * address:接收端的IP地址对象
    * port:接收端的端口号

  • DatagramPacket(byte[] buf, int length)
    * 创建接收端的数据包对象
    * buf:用来存储接收到内容
    * length:能够接收内容的长度

DatagramPacket类常用方法

  • int getLength() 获得实际接收到的字节个数

DategramSocket

  • 发送对象
  • 作用:用来发送或接收数据包,比如:码头

DatagramSocket类构造方法

  • DatagramSocket() 创建发送端的Socket对象,系统会随机分配一个端口号。
  • DatagramSocket(int port)创建接收端的Socket对象并指定端口号

DatagramSocket类成员方法

  • void send(DatagramPacket dp) 发送数据包
  • void receive(DatagramPacket p) 接收数据包

2.5 UDP通信案例

  • 需求:教师的电脑的一个程序发送数据,一个程序接收数据,使用的教师本机的ip。

UDP发送端代码实现

// UDP发送端代码实现
public class UDPSender {
    public static void main(String[] args)throws Exception{
        // 定义一个字符串:要发送的内容
        String message = "约吗";
        // 字符串转字节数组
        byte[] buf = message.getBytes();
        // 创建数据包对象
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buf,buf.length,InetAddress.getLocalHost(),6666);
        // 创建发送端的发送对象
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(8888);
        // 发送数据包
        ds.send(dp);
        // 关闭发送对象释放端口号
        ds.close();
    }
}

UDP接收端代码实现

/**
    UDP协议接收端代码实现
 */
public class UDPReceive {
    public static void main(String[] args)throws Exception{
        // 创建接收对象DatagramSocket
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(6666);
        // 创建字节数组用来存储接收接收到的内容
        byte[] buf = new byte[1024];
        // 创建数据包对象
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buf,buf.length);
        // 接收数据包
        ds.receive(dp);

        // 获得实际接收到的字节个数
        int len = dp.getLength();
        System.out.println("len = " + len);
        // 将字节数组的内容转换为字符串输出
        System.out.println(new String(buf,0,len));

        // 获得发送端的ip地址
        String sendIp = dp.getAddress().getHostAddress();
        // 获得发送端的端口号
        int port  = dp.getPort();
        System.out.println(sendIp);
        System.out.println(port);

        // 关闭Socket对象
        ds.close();
    }
}

3.TCP通信程序

3.1 TCP协议概述

TCP协议是面向连接的通信协议,即在传输数据前先在客户端和服务器端建立逻辑连接,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。TCP通信过程如下图所示:

两端通信时步骤:

  1. 服务端程序,需要事先启动,等待客户端的连接。
  2. 客户端主动连接服务器端,连接成功才能通信。服务端不可以主动连接客户端。

在Java中,提供了两个类用于实现TCP通信程序:

  1. 客户端:java.net.Socket 类表示。创建Socket对象,向服务端发出连接请求,服务端响应请求,两者建立连接开始通信。
  2. 服务端:java.net.ServerSocket 类表示。创建ServerSocket对象,相当于开启一个服务,并等待客户端的连接。

3.2 TCP协议的特点

  • 面向连接的协议
  • 只能由客户端主动发送数据给服务器端,服务器端接收到数据之后,可以给客户端响应数据。
  • 通过三次握手建立连接,连接成功形成数据传输通道。
  • 通过四次挥手断开连接
  • 基于IO流进行数据传输
  • 传输数据大小没有限制
  • 因为面向连接的协议,速度慢,但是是可靠的协议。

3.3 TCP协议的使用场景

  • 文件上传和下载
  • 邮件发送和接收
  • 远程登录

3.4 TCP协议相关的类

Socket类

Socket 类:该类实现客户端套接字,套接字指的是两台设备之间通讯的端点。

构造方法

  • public Socket(String host, int port) :创建套接字对象并将其连接到指定主机上的指定端口号。如果指定的host是null ,则相当于指定地址为回送地址。

    小贴士:回送地址(127.x.x.x) 是本机回送地址(Loopback Address),主要用于网络软件测试以及本地机进程间通信,无论什么程序,一旦使用回送地址发送数据,立即返回,不进行任何网络传输。

构造举例,代码如下:

Socket client = new Socket("127.0.0.1", 6666);

成员方法

  • public InputStream getInputStream() : 返回此套接字的输入流。
    • 如果此Scoket具有相关联的通道,则生成的InputStream 的所有操作也关联该通道。
    • 关闭生成的InputStream也将关闭相关的Socket。
  • public OutputStream getOutputStream() : 返回此套接字的输出流。
    • 如果此Scoket具有相关联的通道,则生成的OutputStream 的所有操作也关联该通道。
    • 关闭生成的OutputStream也将关闭相关的Socket。
  • public void close() :关闭此套接字。
    • 一旦一个socket被关闭,它不可再使用。
    • 关闭此socket也将关闭相关的InputStream和OutputStream 。
  • public void shutdownOutput() : 禁用此套接字的输出流。
    • 任何先前写出的数据将被发送,随后终止输出流。

ServerSocket类

ServerSocket类:这个类实现了服务器套接字,该对象等待通过网络的请求。

构造方法

  • public ServerSocket(int port) :使用该构造方法在创建ServerSocket对象时,就可以将其绑定到一个指定的端口号上,参数port就是端口号。

构造举例,代码如下:

ServerSocket server = new ServerSocket(6666);

成员方法

  • public Socket accept() :侦听并接受连接,返回一个新的Socket对象,用于和客户端实现通信。该方法会一直阻塞直到建立连接。

3.5 TCP通信案例

客户端向服务器发送数据

/*
TCP客户端代码实现步骤
        * 创建客户端Socket对象并指定服务器地址和端口号
        * 调用Socket对象的getOutputStream方法获得字节输出流对象
        * 调用字节输出流对象的write方法往服务器端输出数据
        * 调用Socket对象的getInputStream方法获得字节输入流对象
        * 调用字节输入流对象的read方法读取服务器端返回的数据
        * 关闭Socket对象断开连接。
 */
// TCP客户端代码实现
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 要发送的内容
        String content = "你好TCP服务器端,约吗";
        // 创建Socket对象
        Socket socket = new Socket("192.168.73.99",9999);
        // System.out.println(socket);
        // 获得字节输出流对象
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        // 输出数据到服务器端
        out.write(content.getBytes());

        // 获得字节输入流对象
        InputStream in = socket.getInputStream();
        // 创建字节数组:用来存储读取到服务器端数据
        byte[] buf = new byte[1024];
        // 读取服务器端返回的数据
        int len = in.read(buf);
        System.out.println("len = " + len);
        System.out.println("服务器端返回的内容 = " + new String(buf,0,len));

        // 关闭socket对象
        socket.close();
    }
}

服务器向客户端回写数据

/**
    TCP服务器端代码实现

    ServerSocket类构造方法
        * ServerSocket(int port) 根据指定的端口号开启服务器。

    ServerSocket类常用方法
        *  Socket accept() 等待客户端连接并获得与客户端关联的Socket对象

    TCP服务器端代码实现步骤
        * 创建ServerSocket对象并指定端口号(相当于开启了一个服务器)
        * 调用ServerSocket对象的accept方法等待客端户连接并获得对应Socket对象
        * 调用Socket对象的getInputStream方法获得字节输入流对象
        * 调用字节输入流对象的read方法读取客户端发送的数据
        * 调用Socket对象的getOutputStream方法获得字节输出流对象
        * 调用字节输出流对象的write方法往客户端输出数据
        * 关闭Socket和ServerSocket对象
 */
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args)throws Exception{
        // 创建服务器ocket对象
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
        // 等待客户端连接并获得与客户端关联的Socket对象
        Socket socket = serverSocket.accept();
        // 获得字节输入流对象
        InputStream in = socket.getInputStream();
        // 创建字节数组:用来存储读取到客户端发送的数据
        byte[] buf = new byte[1024];
        // 读取客户端发送过来的数据
        int len = in.read(buf);
        System.out.println("len = " + len);
        System.out.println("客户端发送的数据 = " + new String(buf,0,len));

        // 获得字节输出流对象
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        // 往客户端输出数据
        out.write("约你妹".getBytes());
       
        
        // 关闭socket
        socket.close();
        // 关闭服务器(在实际开发中,服务器一般不会关闭)
        serverSocket.close();
    }
}

4.综合案例

4.1 文件上传案例

文件上传分析图解

  1. 【客户端】输入流,从硬盘读取文件数据到程序中。

  2. 【客户端】输出流,写出文件数据到服务端。

  3. 【服务端】输入流,读取文件数据到服务端程序。

  4. 【服务端】输出流,写出文件数据到服务器硬盘中。

  5. 【服务端】获取输出流,回写数据。

  6. 【客户端】获取输入流,解析回写数据。

案例实现

服务器端实现:

public class FileUpload_Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务器 启动.....  ");
        // 1. 创建服务端ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        // 2. 循环接收,建立连接
        while (true) {
            Socket accept = serverSocket.accept();
          	/*
          	3. socket对象交给子线程处理,进行读写操作
               Runnable接口中,只有一个run方法,使用lambda表达式简化格式
            */
            new Thread(() -> {
                try (
                    //3.1 获取输入流对象
                    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
                    //3.2 创建输出流对象, 保存到本地 .
                    FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis() + ".jpg");
                    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);
                ) {
                    // 3.3 读写数据
                    byte[] b = new byte[1024 * 8];
                    int len;
                    while ((len = bis.read(b)) != -1) {
                        bos.write(b, 0, len);
                    }

                    // 4.=======信息回写===========================
                    System.out.println("back ........");
                    OutputStream out = accept.getOutputStream();
                    out.write("上传成功".getBytes());
                    out.close();
                    //================================

                    //5. 关闭 资源
                    bos.close();
                    bis.close();
                    accept.close();
                    System.out.println("文件上传已保存");
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

客户端实现:

public class FileUpload_Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1.创建流对象
        // 1.1 创建输入流,读取本地文件
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("test.jpg"));
        // 1.2 创建输出流,写到服务端
        Socket socket = new Socket("localhost", 6666);
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());

        //2.写出数据.
        byte[] b  = new byte[1024 * 8 ];
        int len ;
        while (( len  = bis.read(b))!=-1) {
            bos.write(b, 0, len);
        }
      	// 关闭输出流,通知服务端,写出数据完毕
        socket.shutdownOutput();
        System.out.println("文件发送完毕");
        // 3. =====解析回写============
        InputStream in = socket.getInputStream();
        byte[] back = new byte[20];
        in.read(back);
        System.out.println(new String(back));
        in.close();
        // ============================

        // 4.释放资源
        socket.close();
        bis.close();
    }
}

4.2 模拟B\S服务器

模拟网站服务器,使用浏览器访问自己编写的服务端程序,查看网页效果。

案例分析

  1. 准备页面数据,web文件夹。
  2. 我们模拟服务器端,ServerSocket类监听端口,使用浏览器访问,查看网页效果

案例实现

浏览器工作原理是遇到图片会开启一个线程进行单独的访问,因此在服务器端加入线程技术。

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        while(true){
            Socket socket = server.accept();
            new Thread(new Web(socket)).start();
        }
    }
}  
class Web implements Runnable{
    private Socket socket;

    public Web(Socket socket){
        this.socket=socket;
    }

    public void run() {
        try{
            //转换流,读取浏览器请求第一行
            BufferedReader readWb = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String requst = readWb.readLine();
            //取出请求资源的路径
            String[] strArr = requst.split(" ");
            System.out.println(Arrays.toString(strArr));
            String path = strArr[1].substring(1);
            System.out.println(path);

            FileInputStream fis = new FileInputStream(path);
            System.out.println(fis);
            byte[] bytes= new byte[1024];
            int len = 0 ;

            //向浏览器 回写数据
            OutputStream out = socket.getOutputStream();
            out.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
            out.write("Content-Type:text/html\r\n".getBytes());
            out.write("\r\n".getBytes());
            while((len = fis.read(bytes))!=-1){
                out.write(bytes,0,len);
            }
            fis.close();
            out.close();
            readWb.close();
            socket.close();
        }catch(Exception ex){

        }
    }
}

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