[网络协议] Java网络编程（TCP、UDP）

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[网络协议]Java网络编程（TCP、UDP）

一、网络编程入门

1.1 网络编程概述

计算机网络

是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及其通信协议的管理和协助下，实现资源共享和信息传递的计算机系统

在这里插入图片描述

网络编程

在网络通信协议下，实现网络互连的不同计算机上运行的程序间可以进行数据交换

1.2 网络编程的三要素

IP地址

想要让网络中的计算机公狗通信，必须为每台计算机指定一个标识号，通过这个标识号来指定要接收数据的计算机和识别发送的计算机。而IP地址就是这个标识号。

端口

网络的通信，本质上是两个应用程序的通信。每台计算机都有很多应用程序，那么在网络通信时如何区分这些程序呢？如果说IP地址可以为一标识网络中的设备，那么端口号就可以为一标识设备中的应用程序了。也就是应用程序的标识

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、传输效率、传输步骤等做了统一的规定，双方必须同时最受才能完成数据交换。常见的协议有UDP协议和TCP协议

1.3 InetAddress的使用

为了网编我们对IP地址的获取和操作，Java提供了一个雷InetAddress供我们使用

InetAddress：此类表示Internet协议（IP）地址

方法名	说明
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

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;

public class InetAddressDemo {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {
        InetAddress address = InetAddress.getByName("DESKTOP-K84PCFO");

        String hostName = address.getHostName();
        String hostAddress = address.getHostAddress();

        System.out.println(hostName);
        System.out.println(hostAddress);
        System.out.println(address);
    }
}

1.4 协议

协议：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

用户数据包协议（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。简单来书，当一台计算机向另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协议消耗资源较小，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
例如视频会议通常采用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接受数据产生太大的影响。但是在使用UDP协议传输数据时，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

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，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，由客户端向服务器发出连接请求，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，服务器向客户端会送一个相应，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确认信息，确认连接
完成三次握手，连接连接建立后，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。例如上传文件、下载文件、浏览网页等

二、UDP通信程序

2.1 UDP通信原理

UDP协议是一种不可靠的网络协议，它在通信的两端各建立一个Socket对象，但是这两个Socket只是发送，接收数据的对象

因此对于基于UDP协议的通信双方而言，没有所谓的客户端和服务器的概念

Java提供了DatagramSocket类作为基于UDP协议的Socket

2.2 UDP发送数据

发送数据的步骤

创建发送端的Socket对象（DatagramSocket）
- DatagramSocket()
创建数据，并把数据打包
- DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)
调用DatagramSocket对象发送数据
- void send(DatagramPacket p)
关闭发送端
- void close()

import java.io.IOException;
import java.net.*;

public class SendDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建发送端的Socket对象（DatagramSocket）
        //DatagramSocket() 构造数据报套接字并将其绑定到本地主机上的任何可用端口
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

        //创建数据，并把数据打包
        byte[] bys = "hello,udp,我来了".getBytes();
        int length = bys.length;
        InetAddress byName = InetAddress.getByName("192.168.1.66");
        int port = 10086;
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bys,length,byName,port);

        //调用DatagramSocket对象的方法发送数据
        ds.send(dp);

        //关闭发送端
        ds.close();
    }
}

2.3 UDP接收数据

接收数据的步骤

创建接收端的Socket对象（DatagramSocket）
- DatagramSocket(int port)
创建一个数据包，用于接收数据
- DatagramPacket(byte[] buf, int length)
调用DatagramSocket对象的方法接收数据
- void receive(DatagramPacket p)
解析数据包，并把数据在控制台显示
- byte[] getData()
- int getLength()
关闭接收端
- void close()

import java.io.IOException;
import java.net.*;

public class SendDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建发送端的Socket对象（DatagramSocket）
        //DatagramSocket() 构造数据报套接字并将其绑定到本地主机上的任何可用端口
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

        //创建数据，并把数据打包
        byte[] bys = "hello,udp,我来了".getBytes();
        int length = bys.length;
        InetAddress byName = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
        int port = 10086;
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bys,length,byName,port);

        //调用DatagramSocket对象的方法发送数据
        ds.send(dp);

        //关闭发送端
        ds.close();
    }
}

2.4 UDP通信程序练习

按照下面的要求实现程序

DUP发送数据：数据来自于键盘录入，知道输入的数据是886，发送数据结束
UDP接收数据：因为接收端不知道什么时候停止发送，故采用死循环接收

发送端：SendDemo.java

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

//发送端
public class SendDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

        //自己封装一个键盘录入数据
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        String line;
        while ((line = br.readLine())!=null){
            //输入的是886，结束
            if ("886".equals(line)){
                break;
            }

            //创建数据，并打包
            byte[] bys = line.getBytes();
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bys, bys.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 10086);

            ds.send(dp);

        }
        ds.close();
    }
}

接收端：ReceiveDemo.java

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

//接收端
public class ReceiveDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10086);

        while (true){
            byte[] bys = new byte[1024];
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bys, bys.length);

            ds.receive(dp);
            System.out.println("数据是："+ new String(dp.getData(),0,dp.getLength()));

        }
    }
}

三、TCP通信

3.1 TCP通信原理

TCP通信协议是一种可靠地网络协议，它在通信的两端各建立一个Socket对象，从而在通信的两端形成网络虚拟链路，一点建立了虚拟的网络链路，两端的程序就可以通过虚拟链路进行通信

Java对于基于TCP协议的网络提供了良好的封装，使用Socket对象来代表两端的通信端口，并通过Socket产生IO流来进行网络通信

Java为客户端提供了Socket类，为服务器端提供了ServerSocket类

在这里插入图片描述

3.2 TCP发送数据

发送数据的步骤

创建客户端的Socket对象（Socket）
- Socket(String host, int port)
获取输出流，写数据
- OutputStream getOutputStream()
释放资源
- void close();

客户端

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

//发送数据
public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建Socket对象
//        Socket s = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"),10086);
        Socket s = new Socket("127.0.0.1",10086);

        //获取输出流，写数据
        OutputStream os = s.getOutputStream();
        os.write("hello,tcp,我来了".getBytes());

        //释放资源
        s.close();
    }
}

3.3 TCP接受数据

接受数据的步骤

创建服务器端的Socket对象（ServerSocket）
坚挺客户端连接，返回一个Socket对象
- Socket accept()
获取输入流，读数据，并把数字显示在控制台
- InputStream getInputStream()
释放资源
- void close();

服务端

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

//服务端
public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务器端的Socket对象（ServerSocket）
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10086);

        Socket s = ss.accept();
        InputStream is = s.getInputStream();

        byte[] bys = new byte[1024];
        int len = 0;
        while ((len=is.read(bys))!=-1){
            System.out.println("数据是："+ new String(bys,0,len));
        }

        //释放资源
        s.close();
        ss.close();
    }
}

3.3 TCP通信程序练习

练习一

客户端：发送数据，接收服务器反馈
服务器：接受数据，给出反馈

客户端

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

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象（Socket）
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 10001);

        //获取输出流写数据
        OutputStream os = s.getOutputStream();
        os.write("hello,tcp,我来了".getBytes());

        //接收服务器反馈
        InputStream is = s.getInputStream();
        byte[] bys = new byte[1024];
        int len = is.read(bys);
//        while ((len = is.read(bys)) != -1) {
            System.out.println("客户端：" + new String(bys, 0, len));
//        }

        //释放资源
        s.close();
    }
}

服务端

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

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务器端的Socket对象（ServerSocket）
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10001);

        //监听客户端连接，返回一个Socket对象
        Socket s = ss.accept();

        //获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
        InputStream is = s.getInputStream();
        byte[] bys = new byte[1024];
        int len = is.read(bys);
//        while ((len = is.read(bys)) != -1) {
            System.out.println("服务器：" + new String(bys, 0, len));
//        }

        //给出反馈
        OutputStream os = s.getOutputStream();
        os.write("数据已经收到".getBytes());

        //释放资源
        ss.close();
    }
}

练习二

客户端：数据来自于键盘录入，知道输入的数据是886，发送数据结束
服务器：接收到的数据在控制台输出

客户端

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象（Socket）
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 10001);

        //数据来自于键盘录入，知道是886，发送数据结束
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        //封装输出流对象
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
        String line;
        while ((line = br.readLine())!=null){
            if ("886".equals(line)){
                break;
            }

            //获取输出流对象
//            OutputStream os = s.getOutputStream();
//            os.write(line.getBytes());
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();

        }

        //释放资源
        s.close();
    }
}

服务器

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务器端的Socket对象（ServerSocket）
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10001);

        //监听客户端连接，返回一个Socket对象
        Socket s = ss.accept();

        //获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
//        InputStream is = s.getInputStream();
//        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is);
//        BufferedReader bw = new BufferedReader(isr);
        BufferedReader bw = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));

        String line;
        while ((line = bw.readLine()) != null) {
            System.out.println("服务器：" + line);
        }

        //释放资源
        ss.close();
    }
}

练习三

客户端：数据来自于键盘录入，知道输入的数据是886，发送数据结束
服务器：收到的数据写入文本文件

客户端

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象（Socket）
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 10001);

        //数据来自于键盘录入，知道是886，发送数据结束
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        //封装输出流对象
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
        String line;
        while ((line = br.readLine())!=null){
            if ("886".equals(line)){
                break;
            }

            //获取输出流对象
//            OutputStream os = s.getOutputStream();
//            os.write(line.getBytes());
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();

        }

        //释放资源
        s.close();
    }
}

服务器

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务器端的Socket对象（ServerSocket）
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10001);

        //监听客户端连接，返回一个Socket对象
        Socket s = ss.accept();

        //获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
//        InputStream is = s.getInputStream();
//        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is);
//        BufferedReader bw = new BufferedReader(isr);
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("tcp.txt"));

        String line=null;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();
        }

        //释放资源
        ss.close();
        bw.close();
    }
}

练习四

客户端：数据来自于文本文件
服务器：接收到的数据写入文本文件

客户端

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象（Socket）
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 10001);

        //数据来自于文件
        BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("fw.txt"));
        //封装输出流对象
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
        String line;
        while ((line = br.readLine())!=null){
            //获取输出流对象
//            OutputStream os = s.getOutputStream();
//            os.write(line.getBytes());
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();

        }

        //释放资源
        s.close();
        br.close();
    }
}

服务器

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务器端的Socket对象（ServerSocket）
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10001);

        //监听客户端连接，返回一个Socket对象
        Socket s = ss.accept();

        //获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
//        InputStream is = s.getInputStream();
//        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is);
//        BufferedReader bw = new BufferedReader(isr);
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("tcp.txt"));

        String line=null;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();
        }

        //释放资源
        ss.close();
        bw.close();
    }
}

练习五

客户端：数据来自于文本文件，接收服务器反馈
服务器：接收到的数据写入文本文件，给出反馈
出现问题：程序一直等待
原因：读数据的方法是阻塞式的
解决办法：自定义结束标记；使用shutdownOutput()方法

客户端

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象（Socket）
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 10001);

        //数据来自于文件
        BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("fw.txt"));
        //封装输出流对象
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            //获取输出流对象
//            OutputStream os = s.getOutputStream();
//            os.write(line.getBytes());
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();

        }

        //自定义结束标记
//        bw.write("886");
//        bw.newLine();
//        bw.flush();

        //结束标记
        s.shutdownOutput();

        //接收反馈
        BufferedReader brClient = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
        String data = brClient.readLine();//等待读取数据
        System.out.println("服务器反馈" + data);

        //释放资源
        s.close();
        br.close();
        brClient.close();
    }
}

服务器

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务器端的Socket对象（ServerSocket）
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10001);

        //监听客户端连接，返回一个Socket对象
        Socket s = ss.accept();

        //获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
//        InputStream is = s.getInputStream();
//        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is);
//        BufferedReader bw = new BufferedReader(isr);
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("tcp.txt"));

        String line=null;
        while ((line = br.readLine()) != null) {//等待读取数据
//            if ("886".equals(line)){
//                break;
//            }
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();
        }

        BufferedWriter bwServer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
        bwServer.write("文件上传成功");
        bwServer.newLine();
        bwServer.flush();

        //释放资源
        ss.close();
        bw.close();
        bwServer.close();
    }
}

练习六

客户端：数据来自于文本文件，接收服务器反馈
服务器：接收到的数据写入文本文件，给出反馈，代码用线程进行封装，为每一个客户端开启一个线程

客户端

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象（Socket）
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 10001);

        //数据来自于文件
        BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("fw.txt"));
        //封装输出流对象
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            //获取输出流对象
//            OutputStream os = s.getOutputStream();
//            os.write(line.getBytes());
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();

        }

        //自定义结束标记
//        bw.write("886");
//        bw.newLine();
//        bw.flush();

        //结束标记
        s.shutdownOutput();

        //接收反馈
        BufferedReader brClient = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
        String data = brClient.readLine();//等待读取数据
        System.out.println("服务器反馈" + data);

        //释放资源
        s.close();
        br.close();
        brClient.close();
    }
}

服务器

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务器端的Socket对象（ServerSocket）
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10001);

        while (true){
            //监听客户端连接，返回一个Socket对象
            Socket s = ss.accept();
            //为每一个客户端开启一个线程
            new Thread(new ServerThread(s)).start();
        }

    }
}

class ServerThread implements Runnable{
    private Socket s;

    public ServerThread(){}
    public ServerThread(Socket s) {
        this.s = s;
    }

    @Override
    public void run() {
        //接收数据写到文本文件
        try {
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
//            BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("Copy.txt"));

            //解决名称冲突问题
            int count = 0;
            File file = new File("Copy[" + count + "].txt");
            if (file.exists()){
                count++;
                file = new File("Copy[" + count + "].txt");
            }
            BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter(file));

            String line;
            while ((line = br.readLine())!=null){
                bw.write(line);
                bw.newLine();
                bw.flush();
            }

            //给出反馈
            BufferedWriter bwServer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
            bwServer.write("文件上传成功");
            bwServer.newLine();
            bwServer.flush();

            //释放资源
            s.close();


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