【Java】网络编程基础

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文章目录

网络编程入门

网络编程：在网络通信协议下，不同计算机上运行的程序，可以进行数据传输
网络编程三要素

IP地址：设备在网络中的地址，是唯一的标识
端口：应用程序在设备中唯一的标识
协议：数据在网络中传输的规则，常见的协议有UDP和TCP协议

IP

IP：全称“互联网协议地址”，也称IP地址。是分配给上网设备的数字标签。常见的IP分类为：ipv4和ipv6

通过域名访问服务器->域名通过DNS服务器解析为IP地址传递回去->计算机再通过解析好的IP地址访问相应的服务器->服务器返回数据展示在浏览器上

IPv4

32bit(4字节)：1 100000000 10101000 00000001 01000010

点分十进制表示法：192.168.1.66

IPv6

由于互联网的蓬勃发展，IP地址的需求量愈来愈大，而IPv4的模式下IP的总数是有限的。

采用128位地址长度，分成8组，每16位分为一组

冒分十六进制表示法：2001:0DB8:0000:0023:0008:0800:200C:417A

省略前面的0：2001:DB8:0:23:8:800:200C:417A

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特殊情况：如果计算出的16进制表示形式中间有多个连续的0(FF01:0:0:0:0:0:0:1101)

采用0位压缩表示法:FF01::1101

常用命令

ipconfig：查看本机IP地址
ping IP地址：检查网络是否连通

InetAddress的使用

为了方便我们对IP地址的获取和操作，Java提供了一个类InetAddress供我们使用
InetAddress：此类表示Internet协议(IP)地址

常用方法

static InetAddress getByName(String host)：确定主机名称的IP地址。主机名称可以是机器名称，也可以是IP地址
String getHostName()：获取此IP地址的主机名
String getHostAddress()：返回文本显示中的IP地址字符串

端口

端口：应用程序在设备中唯一的标识

端口号：用两个字节表示的整数，它的取值范围是0~65535

其中0~1023之间的端口号用于一些知名的网络服务或者应用
在自己使用时使用1024以上的端口号就可以了

注意：一个端口号只能被一个应用程序使用

协议

在计算机网络中，连接和通信的规则被称为网络通信协议

UDP协议
用户数据报协议(User Datagram Protocol)

UDP是面向无连接通信协议

速度快，有大小限制，一次最多发送64K，数据不安全，容易丢失数据

TCP协议

传输控制协议(Transmission Control Protocol)
TCP协议是面向连接的通信协议

速度慢，没有大小限制，数据安全

UDP通讯程序

发送端：发送数据
接收端：接收数据

UDP发送端

发送数据步骤

创建发送端的DatagramSocket对象
创建数据，并把数据打包(DatagramPacket)
调用DatagramSocket对象的方法发送数据
释放资源

代码实现

public class Demo{
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException{
    
    
        // 创建发送端对象
    	DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
    	// 数据打包   DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress, int port)
    	String s = "需要发送的数据";
    	byte[] bytes = s.getBytes();
    	InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
    	int port = 10000;
    	DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port);
    	// 发送数据
    	ds.send(dp);
    	// 释放资源
    	ds.close();
    }
}

UDP接收端

步骤

创建接收端的DatagramSocket对象
创建一个箱子，用于接收数据
调用DatagramSocket的方法接收数据并将数据放入箱子中
解析数据包，并把数据在控制台显示
释放资源

代码

public class Demo{
    
    
    public static void main(String[] args) throws{
    
    
        // 创建接收端对象------参数表示从10000端口接收数据
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10000);
        // 创建箱子
        byte[] bytes = new bytes[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        // 接收数据
        ds.receive(dp);
        // 获取数据
        byte[] data = dp.getData();
        System.out.println(new String(data));
        // 释放资源
        ds.close();
    }
}

在这里运行时必须先运行接收端再运行发送端(否则都发送完了才运行接收端就接收不到了)

如果接收端在启动之后没有接收到数据，会阻塞

在接收数据的时候，需要调用一个getLength方法，表示接收到了多少字节

UDP练习

UDP发送数据：数据来自于键盘录入，直到输入的数据是886，发送数据结束
UDP接收端：因为不知道发送端什么时候停止发送，就死循环接收

// 发送端
package UDP;

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

public class ClientDemo {
    
    
	public static void main(String[] args) throws IOException{
    
    
		Scanner sc = new Scanner(System.in);
		DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
		while(true){
    
    
			String s = sc.nextLine();
			if("886".equals(s)) break;
			byte[] bytes = s.getBytes();
			InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
			int port = 10000;
			DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port);
			ds.send(dp);
		}
		ds.close();
	}
}

// 接收端
package UDP;

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

public class ServerDemo {
    
    

	public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
		DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10000);
		while(true){
    
    
			byte[] bytes = new byte[1024];
			DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
			ds.receive(dp);
			byte[] data = dp.getData();
			int length = dp.getLength();
			System.out.println(new String(data, 0, length));
		}
		// ds.close();
	}
}

三种通信方式

单播：一个发送端通过一个路由器只发送给一个接收端（一对一）

组播：一个发送端通过一个路由器发送给一组接收端（一对多）

组播地址：224.0.0.0~239.255.255.255

其中224.0.0.0~224.0.0.255为预留的组播地址，不可用

组播的发送端在调用DatagramSocket对象的方法发送数据时，单播是发送给指定IP的电脑，组播是发送给组播地址
组播的接收端创建的是MulticastSocket对象

在创建箱子后，还要把当前电脑添加到这一组中

// 组播的发送端
public static void main(String[] args) throws IOException{
    
    
    DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
    String s = "Hello Word";
    byte[] bytes = s.getBytes();
    InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.1.0");
    int port = 10000;
    DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port);
    ds.send(dp);
    ds.close();
}

// 接收端
public static void main(String[] args) throws IOException{
    
    
    MulticastSocket ms = new MulticastSocket(10000);
    DatagramPacket dp = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
    // 把当前计算机绑定一个组播地址
    ms.joinGroup(InetAddress.getByName("224.0.1.0"));
    
    // 接收数据
    ms.receive(dp);
    byte[] data = dp.getData();
    int length = dp.getLength();
    System.out.println(new String(data, 0, length));
    ms.close();
}

广播：一个发送端通过一个路由器发送给该局域网下所有接收端（一对所有）

广播地址：255.255.255.255

// 发送端
public static void main(String[] args) throws IOException{
    
    
    DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
    String s = "广播发送端";
    byte[] bytes = s.getBytes();
    InetAddress address = InetAddress.getByName("255.255.255.255");
    int port = 10000;
    DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port);
    ds.sent(dp);
    ds.close();
}

// 接收端
public class ServerDemo {
    
    

	public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
		DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10000);
		while(true){
    
    
			byte[] bytes = new byte[1024];
			DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
			ds.receive(dp);
			byte[] data = dp.getData();
			int length = dp.getLength();
			System.out.println(new String(data, 0, length));
		}
		ds.close();
	}
}

TCP通讯程序

TCP通信协议是一种可靠的网络协议，它在通信的两端各建立一个Socket对象

发送端：Socket 接收端：ServerSocket

通信之前要保证连接已经建立
通过Socket产生IO流来进行网络通信

发送数据

创建客户端的Socket对象(Socket)与指定服务端连接
Socket(String host, int port)
获取输出流，写数据
OutputStream getOutputStream()
释放资源
void close()

代码实现

// 客户端
public static void main(String[] args) throws IOException{
    
    
	Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 10000);
	OutputStream os = socket.getOutputStream();
	os.write("hello".getBytes());
      
	os.close();
	socket.close();
}

接收数据

创建服务端的Socket对象(ServerSocket)
ServerSocket(int port)
监听客户端连接，返回一个Socket对象
Socket accept()
获得输入流，读数据，并把数据显示在控制台
InputStream getInputStream()
释放资源
void close()

代码实现

// 服务端
public static void main(String[] args){
    
    
	ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);
      
	Socket accept = ss.accept();		// 没有客户端连接的话，就会死等，不执行后续代码，即阻塞
      
	InputStream is = accept.getInputStream();
	int b;
	while((b = is.read()) != -1){
    
    
		System.out.print((char) b);
	}
      
	is.close();
	ss.close();
}

原理分析

不能先运行客户端（先运行客户端会没有服务端可连，就会报错）
先运行服务端，代码会依次执行到accept方法，然后就阻塞，等待客户端连接
运行客户端，在对象创建完毕之后，客户端与服务端的连接通道就已经建立

客户端写数据，服务端读数据

客户端释放资源，服务端释放资源

客户端创建对象并连接服务器，此时是通过三次握手协议保证服务器之间的连接

针对客户端，是往外写的，所以是输出流；而服务端是往进读的，所以是输入流

read方法也是阻塞的

在关流的时候，还多了一个往服务器写结束标记的动作

最后一步断开连接，会通过四次挥手协议保证连接终止

三次握手

保证客户端与服务器之间建立连接

第一次：客户端向服务器发出连接请求（等待服务器确认）
第二次：服务器向客户端返回一个响应（告诉客户端收到了请求）
第三次：客户端向服务端再次发出确认信息（连接建立）

四次挥手

保证客户端与服务端取消连接，成功终止连接

第一次：客户端向服务器发出取消连接请求
第二次：服务器向客户端返回一个响应，表示收到客户端取消请求
服务器将最后的数据处理完毕
第三次：服务器向客户端发出确认取消信息
第四次：客户端再次发送确认消息（连接取消）

练习

练习一

客户端：发送数据，接收服务器反馈
服务器：接收数据，给出反馈
代码

// 客户端
package TCP;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.io.OutputStream;


public class ClientDemo {
    
    

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 10000);

        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        os.write("hello".getBytes());
        socket.shutdownOutput();    // 仅仅关闭输出流，并写一个结束标记，对socket没有任何影响

        InputStream is = socket.getInputStream();
        int b;
        while ((b = is.read()) != -1) {
    
    
            System.out.print((char) b);
        }

        is.close();
        os.close();
        socket.close();

    }
}

// 服务端
package TCP;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

import java.io.InputStream;

public class ServerDemo {
    
    

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);

        Socket accept = ss.accept();

        InputStream is = (InputStream) accept.getInputStream();
        int b;
        while ((b = is.read()) != -1) {
    
    
            System.out.print((char) b);
        }

        OutputStream os = accept.getOutputStream();
        os.write("who?".getBytes());

        os.close();
        is.close();
        accept.close();
        ss.close();

    }
}

练习二

客户端：将本地文件上传到服务器，接收服务器的反馈
服务器：接收客户上传的文件，上传完毕之后给出反馈
代码

// 客户端
package TCP;

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class ClientDemo2 {
    
    

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 10000);

        // 本地的流，读取本地文件
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("1.png"));

        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(os);
        int b;
        while ((b = bis.read()) != -1) {
    
    
            bos.write(b);        // 通过网络写到服务器中
        }

        // 给服务器一个结束标记
        socket.shutdownOutput();

        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
    
    
            System.out.println(line);
        }

        socket.close();
        bis.close();
    }

}

// 服务器
package TCP;

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class ServerDemo2 {
    
    

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);

        Socket accept = ss.accept();
        // 网络中的流，从客户端读取数据的
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
        // 本地的IO流，把数据写到本地中，实现永久化存储
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("src\\copy.png"));

        int b;
        while ((b = bis.read()) != -1) {
    
    
            bos.write(b);
        }
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(accept.getOutputStream()));
        bw.write("上传成功！");
        bw.newLine();
        bw.flush();

        accept.close();
        ss.close();
        bos.close();
    }

}

服务端优化

第一个弊端：服务器只能处理一个客户端请求，接受完一个文件之后，服务器就关闭了
改进方式：循环
UUID
- UUID uuid = UUID.randomUUID(); 生成一个随机且唯一的uid
- uuid.toString(); 转换为字符串
- 防止多次上传文件时，后上传的文件覆盖掉先上传的文件
仅仅使用while循环，无法同时处理多个客户端的请求
采用多线程改进
使用多线程虽然可以让服务器同时处理多个客户端请求，但是资源消耗太大
采用线程池改进

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