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[网络协议]09 网络编程

文章目录

01 网络编程

01 网络编程

1.1 网络编程入门

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。

网络通信协议

网络通信协议：通过计算机网络可以使多台计算机实现连接，位于同一个网络中的计算机在进行连接和通信时需要遵守一定的规则，这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样。在计算机网络中，这些连接和通信的规则被称为网络通信协议，它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定，通信双方必须同时遵守才能完成数据交换。

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。

在这里插入图片描述

上图中，TCP/IP协议中的四层分别是应用层、传输层、网络层和链路层，每层分别负责不同的通信功能。

链路层：链路层是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：网络层是整个TCP/IP协议的核心，它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者网络。

运输层：主要使网络程序进行通信，在进行网络通信时，可以采用TCP协议，也可以采用UDP协议。

应用层：主要负责应用程序的协议，例如HTTP协议、FTP协议等。

协议分类

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：

UDP

UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)。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的交换过程如下图所示。

在这里插入图片描述

特点:数据被限制在64kb以内，超出这个范围就不能发送了。

数据报(Datagram):网络传输的基本单位。

TCP

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。

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”。
- 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。
  - 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信息，确认连接。整个交互过程如下图所示。

在这里插入图片描述

? 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。

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。

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

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。

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

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，会导致当前程序启动失败。

常用的端口号：

80端口号网络端口 www.baidu.com:80 正确的网址
数据库 mysql:3306 oracle:1521
Tomcat服务器:8080

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。

1.2 TCP通信程序

概述

TCP通信能实现两台计算机之间的数据交互，通信的两端，要严格区分为客户端（Client）与服务端（Server）。

两端通信时步骤：

服务端程序，需要事先启动，等待客户端的连接。
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：

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。
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。

服务器端必须明确两件事：

在这里插入图片描述

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。
public OutputStream getOutputStream() ：返回此套接字的输出流。
public void close() ：关闭此套接字。

注意：

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。
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。这时服务器必须已经启动，才能进行连接；如果服务器没有启动，那么就会抛出异常。

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) ：创建并绑定到该服务器特定端口的服务器套接字。

构造举例，代码如下：

ServerSocket server = new ServerSocket(6666);

成员方法

public Socket accept() ：侦听并接受此套接字的连接，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。

简单的TCP网络程序

TCP通信分析图解

【服务端】启动,创建ServerSocket对象，等待连接。
【客户端】启动,创建Socket对象，请求连接。
【服务端】接收连接,调用accept方法，并返回一个Socket对象。
【客户端】Socket对象，获取OutputStream，向服务端写出数据。
【服务端】Scoket对象，获取InputStream，读取客户端发送的数据。

到此，客户端向服务端发送数据成功。

在这里插入图片描述

自此，服务端向客户端回写数据。

【服务端】Socket对象，获取OutputStream，向客户端回写数据。
【客户端】Scoket对象，获取InputStream，解析回写数据。
【客户端】释放资源，断开连接。

客户端向服务器发送数据

服务端实现：

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server=new ServerSocket(6666);
        Socket socket=server.accept();

        InputStream is=socket.getInputStream();
        byte[] bytes=new byte[1024];
        int len=is.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes,0,len));

        socket.close();
        server.close();
    }
}

客户端实现：

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket=new Socket("127.0.0.1",6666);
        OutputStream os= socket.getOutputStream();

        os.write("你好服务器".getBytes());
        
        socket.close();
    }
}

服务器向客户端回写数据

服务端实现：

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server=new ServerSocket(6666);
        Socket socket=server.accept();

        InputStream is=socket.getInputStream();
        byte[] bytes=new byte[1024];
        int len=is.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes,0,len));

        //=================回写数据==============
        OutputStream os=socket.getOutputStream();
        os.write("你好，已收到数据！".getBytes());

        socket.close();
        server.close();
    }
}

客户端实现：

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket=new Socket("127.0.0.1",6666);
        OutputStream os= socket.getOutputStream();

        os.write("你好服务器!".getBytes());

        //============解析回写==============
        InputStream is= socket.getInputStream();
        byte[] bytes=new byte[1024];
        int len=is.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes,0,len));

        socket.close();
    }
}

1.3 综合案例

文件上传案例

文件上传分析+信息回写图解

【客户端】输入流，从硬盘读取文件数据到程序中。
【客户端】输出流，写出文件数据到服务端。
【服务端】输入流，读取文件数据到服务端程序。
【服务端】输出流，写出文件数据到服务器硬盘中。
【服务端】获取输出流，回写数据。
【客户端】获取输入流，解析回写数据。

在这里插入图片描述

客户端实现：

public class FileUpload_Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        BufferedInputStream bis=new BufferedInputStream(new FileInputStream("D:\\test-code\\10 网络编程\\File\\demo02\\ja.jpg"));
        Socket socket=new Socket("localhost",6666);
        //这里使用字节缓冲流 提高读写的效率
        BufferedOutputStream bos=new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
        BufferedInputStream bis2=new BufferedInputStream(socket.getInputStream());

        System.out.println("1111111111111");

        int len;
        byte[] bytes=new byte[1024];
        while ((len=bis.read(bytes))!=-1){
            bos.write(bytes,0,len);
        }

        /*
        * 文件上传阻塞问题：客户端接收不到服务端传来的 上传成功 信息
        * 原因：服务端的while循环接收不到结束标记
        * 解决：
        *       上传完文件 给服务器写一个结束标记
        *       shutdownOutput() 禁用此套接字的输出流。
        *       对于 TCP 套接字，任何以前写入的数据都将被发送，并且后跟 TCP 的正常连接终止序列。
        *
        * */
        socket.shutdownOutput();

        while ((len=bis2.read(bytes))!=-1){
            System.out.println(new String(bytes,0,len));
        }

        System.out.println("22222222222打印不到");

        bis2.close();
//        bos.close(); // 疑问：如果这个流调用close方法抛出异常 java.net.SocketException: Socket closed 就先给这行注释掉
        socket.close();
        bis.close();
    }
}

服务端实现：

public class FileUpload_Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //注意：这里的端口号一定记得写上 否则抛出异常 java.net.SocketException: Socket is not bound yet
        ServerSocket server=new ServerSocket(6666);
        Socket socket=server.accept();

        BufferedInputStream bis=new BufferedInputStream(socket.getInputStream());
        BufferedOutputStream bos2=new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());
        
        //注意：如果服务器硬盘上没有该目录的路径，则抛出异常 FileNotFoundException: D:\test-code\10 网络编程\File\demo03\ja.jpg (系统找不到指定的路径。)
//        BufferedOutputStream bos=new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("D:\\test-code\\10 网络编程\\File\\demo03\\ja.jpg"));
        //注意：如果服务器硬盘上没有指定文件的路径，则抛出异常 FileNotFoundException: D:\test-code\10 网络编程\File\demo02 (拒绝访问。)
//        BufferedOutputStream bos=new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("D:\\test-code\\10 网络编程\\File\\demo02"));
//        BufferedOutputStream bos=new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("D:\\test-code\\10 网络编程\\File\\demo02\\ja.jpg"));

        File file=new File("D:\\test-code\\10 网络编程\\File\\demo02_2");
        if (!file.exists()){
            file.mkdirs();
        }
        
        BufferedOutputStream bos=new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file+"\\aa.jpg"));

        System.out.println("33333333333333");

        int len;
        byte[] bytes=new byte[1024];
        while ((len=bis.read(bytes))!=-1){
            bos.write(bytes,0,len);
        }

        System.out.println("4444444444444 while死循环打印不到");

        bos2.write("上传成功！".getBytes());

        bos2.close();
        bos.close();
        bis.close();
        socket.close();
        server.close();
    }
}

文件上传优化分析

文件名称写死的问题

服务端，保存文件的名称如果写死，那么最终导致服务器硬盘，只会保留一个文件，建议使用系统时间优化，保证文件名称唯一，代码如下：

FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis()+".jpg") // 文件名称
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);

循环接收的问题

服务端，指保存一个文件就关闭了，之后的用户无法再上传，这是不符合实际的，使用循环改进，可以不断的接收不同用户的文件，代码如下：

// 每次接收新的连接,创建一个Socket
while（true）{
    Socket accept = serverSocket.accept();
    ......
}

//        server.close(); //服务器一直启动，因此不需要关闭

效率问题

服务端，在接收大文件时，可能耗费几秒钟的时间，此时不能接收其他用户上传，所以，使用多线程技术优化，代码如下：

while（true）{
    Socket accept = serverSocket.accept();
    // accept 交给子线程处理.
    new Thread(() -> {
      	......
        InputStream bis = accept.getInputStream();
      	......
    }).start();
}