Java: 网络编程

1. 网络编程基础概念

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、LOL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。

1.2 网络通信协议

在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。这里所说的同步不是狭义的（即同频或同频同相）而是广义的，即在一定的条件下应当发 什么事件（如发送一个应答信息），因而同步含有时许的意思。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。网络协议也可简称为协议。更进一步讲，网络协议主要由以下三个要素组成：

  1. 语法：数据与控制信息的结构或格式。
  2. 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
  3. 同步：事件实现顺序的详细说明

因此，网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分。实际上，只要我们想让连接在网络上的另一台计算机做点什么事情（例如，从网络上的某个主机下载文件），我们都需要由协议。

1.2.1 TCP/IP协议

在因特网所使用的各种协议中，最重要的和最著名的就是TCP和IP两个协议。现在人们经常提到的TCP/IP并不一定是单指TCP和IP这两个具体的协议，而往往是表示因特网所使用的整个TCP/IP协议族。传输控制协议/因特网互联协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）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。
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1.3 协议分类

通信的协议比较复杂，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，已保证连接的可靠。
      • 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。
      • 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。
      • 第三次握手：客户端再次向服务器端发送确认消息，确认连接。

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。
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  • 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。日常应用中有视频会议、QQ聊天等。

1.4 网络编程三要素

  • 协议：计算机网络通信必须遵守的规则。

  • 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。

    • 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。

      • IPv6：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。

      • 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 202.108.22.5

      特殊的IP地址
      • 本机IP地址：127.0.0.1 、 localhost

  • 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0 ~ 65535。其中，0 ~ 1023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， 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他进程进行交互。

2. Java中TCP通信程序

2.1 概述

TCP通信能实现两台计算机之间的数据交互，要严格区分为客户端（Client）与服务端（Server）。
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，向服务器发出连接请求，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。

2.2 Socket类

TCP通信的客户端：向服务器发送连接请求，给服务器发送数据，读取服务器回写的数据
表示客户端的类：
    java.net.Socket: 此类实现客户端套接字（也可以就叫“套接字”）。套接字是两台机器间通信的端点。
    套接字：包含了IP地址和端口号的网络单位

构造方法：
    Socket(String host, int port) 创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号
    参数：
        String host：服务器主机的名称/服务器的IP地址
        int port : 服务器的端口号

成员方法:
    OutputStream getOutputStream() 返回此套接字的输出流。
    InputStream getInputStream() 返回此套接字的输入流。
    void close() 关闭此套接字。

实现步骤:
    1.创建一个客户端对象Socket,构造方法绑定服务器的IP地址和端口号
    2.使用Socket对象中的方法getOutputStream()获取网络字节输出流OutputStream对象
    3.使用网络字节输出流OutputStream对象中的方法write,给服务器发送数据
    4.使用Socket对象中的方法getInputStream()获取网络字节输入流InputStream对象
    5.使用网络字节输入流InputStream对象中的方法read,读取服务器回写的数据
    6.释放资源(Socket)
 注意:
    1.客户端和服务器端进行交互,必须使用Socket中提供的网络流,不能使用自己创建的流对象
    2.当我们创建客户端对象Socket的时候,就会去请求服务器和服务器经过3次握手建立连接通路
        这时如果服务器没有启动,那么就会抛出异常ConnectException: Connection refused: connect
        如果服务器已经启动,那么就可以进行交互了

public class _01TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        os.write("你好，服务器，我是亚洲".getBytes());
        InputStream is = socket.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = is.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes));

        socket.close();
    }
}

2.3 ServerSocket 类

TCP通信的服务器端：接收客户端的请求，读取客户端发送的数据，给客户端回写数据
表示服务器的类：
    java.net.ServerSocket: 此类实现服务器套接字

构造方法：
    ServerSocket(int port) 创建绑定到特定端口的服务器套接字

服务器端必须明确一件事情,必须得知道是哪个客户端请求的服务器
所以可以使用accept方法获取到请求的客户端对象Socket
成员方法:
    Socket accept() 侦听并接受到此套接字的连接。

服务器的实现步骤:
    1.创建服务器ServerSocket对象和系统要指定的端口号
    2.使用ServerSocket对象中的方法accept,获取到请求的客户端对象Socket
    3.使用Socket对象中的方法getInputStream()获取网络字节输入流InputStream对象
    4.使用网络字节输入流InputStream对象中的方法read,读取客户端发送的数据
    5.使用Socket对象中的方法getOutputStream()获取网络字节输出流OutputStream对象
    6.使用网络字节输出流OutputStream对象中的方法write,给客户端回写数据
    7.释放资源(Socket,ServerSocket)

public class _02Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
        Socket socket = serverSocket.accept();

        InputStream is = socket.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = is.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes));

        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        os.write("亚洲服务器收到，谢谢".getBytes());
        socket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

3. 案例

3.1 文件上传

客户端

文件上传案例的客户端:读取本地文件,上传到服务器,读取服务器回写的数据

明确:
    数据源:2.png
    目的地:服务器

实现步骤:
    1.创建一个本地字节输入流FileInputStream对象,构造方法中绑定要读取的数据源
    2.创建一个客户端Socket对象,构造方法中绑定服务器的IP地址和端口号
    3.使用Socket中的方法getOutputStream,获取网络字节输出流OutputStream对象
    4.使用本地字节输入流FileInputStream对象中的方法read,读取本地文件
    5.使用网络字节输出流OutputStream对象中的方法write,把读取到的文件上传到服务器
    6.使用Socket中的方法getInputStream,获取网络字节输入流InputStream对象
    7.使用网络字节输入流InputStream对象中的方法read读取服务回写的数据
    8.释放资源(FileInputStream,Socket)

public class _05BetterClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream fis = new FileInputStream("src\\heima\\internet\\2.png");
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = 0;
        System.out.println("开始上传图片");
        while ((len = fis.read(bytes)) != -1){
            os.write(bytes,0,len);
        }
        socket.shutdownOutput();
        System.out.println("亚洲号，，这里是亚洲空军一号，图片已上传");
//        os.write("亚洲号，图片上传完毕".getBytes());
        InputStream is = socket.getInputStream();
        len = is.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes,0,len));
        fis.close();
        socket.close();
    }
}

服务器端

文件上传案例服务器端:读取客户端上传的文件,保存到服务器的硬盘,给客户端回写"上传成功"

明确:
    数据源:客户端上传的文件
    目的地:服务器的硬盘

实现步骤:
    1.创建一个服务器ServerSocket对象,和系统要指定的端口号
    2.使用ServerSocket对象中的方法accept,获取到请求的客户端Socket对象
    3.使用Socket对象中的方法getInputStream,获取到网络字节输入流InputStream对象
    4.判断d:\\upload文件夹是否存在,不存在则创建
    5.创建一个本地字节输出流FileOutputStream对象,构造方法中绑定要输出的目的地
    6.使用网络字节输入流InputStream对象中的方法read,读取客户端上传的文件
    7.使用本地字节输出流FileOutputStream对象中的方法write,把读取到的文件保存到服务器的硬盘上
    8.使用Socket对象中的方法getOutputStream,获取到网络字节输出流OutputStream对象
    9.使用网络字节输出流OutputStream对象中的方法write,给客户端回写"上传成功"
    10.释放资源(FileOutputStream,Socket,ServerSocket)

public class _06BetterServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket sever = new ServerSocket(8888);
        /*
            让服务器一直处于监听状态（死循环accept方法）
            有一个客户端上传文件，就保存一个文件
         */
        while (true){
            Socket socket = sever.accept();
            /*
                使用多线程技术，提高程序的效率
                有一个客户端上传文件，就开启一个线程，完成文件的上传
             */
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try{
                        InputStream is = socket.getInputStream();
                        File file = new File("src\\heima\\internet");
                        if (!file.exists())
                            file.mkdir();

                        /*
                            自定义一个文件的命名规则，防止同名的文件被覆盖
                            规则: 域名+毫秒值+随机数
                         */
                        String filename = "asia" + System.currentTimeMillis() + new Random().nextInt(323234) + ".png";
                        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file + "\\" + filename);
                        int len = 0;
                        byte[] bytes = new byte[1024];
                        while ((len = is.read(bytes)) != -1){
                            fos.write(bytes,0,len);
                        }
                        socket.getOutputStream().write("亚洲，亚洲，这里是亚洲号服务器，图片已经收到".getBytes());
                        fos.close();
                        socket.close();

                    } catch (IOException e) {
                        System.out.println(e);
                    }
                }
            }).start();
        }
        // 服务器不关闭
    }
}

3.2 B/S TCP服务器

public class TCPServerThread {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server = new ServerSocket(8080);

        while (true){
            Socket socket = server.accept();

            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        InputStream is = socket.getInputStream();
                        // 把is网络字节输入流对象，转换为字符缓冲输入流
                        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
                        // 把客户端请求信息的第一行读取出来 GET /web/index.html HTTP/1.1
                        String line = br.readLine();
                        String[] arr = line.split(" ");
                        String htmlpath = arr[1].substring(1);
                        System.out.println(htmlpath);
                        // 创建一个本地字节输入流，绑定要读取的HTML路径
                        FileInputStream fis = new FileInputStream(htmlpath);
                        OutputStream os = socket.getOutputStream();

                        // 写入HTTP协议响应头，固定写法
                        os.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
                        os.write("Content-Type:text/html\r\n".getBytes());
                        os.write("\r\n".getBytes());

                        int len = 0;
                        byte[] bytes = new byte[1024];
                        while ((len = fis.read(bytes)) != -1){
                            os.write(bytes,0,len);
                        }
                        is.close();
                        socket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();

        }
        // 服务器不用关闭
//        server.close();
    }
}

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