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JavaSE22【 网络编程】

主要内容

  • 软件架构CS/BS
  • 网络通信三要素
  • TCP通信
  • Socket套接字
  • ServerSocket

学习目标

  • 能够辨别UDP和TCP协议特点
  • 能够说出TCP协议下两个常用类名称
  • 能够编写TCP协议下字符串数据传输程序
  • 能够理解TCP协议下文件上传案例
  • 能够理解TCP协议下案例2

第一章 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。
      1. 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。
        2.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。
        3.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。

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

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。

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。

第二章 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,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

  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。

2.2 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。

注意: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。

2.3 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。

2.4 简单的TCP网络程序

TCP通信分析图解

  1. 【服务端】启动,创建ServerSocket对象,等待连接。
  2. 【客户端】启动,创建Socket对象,请求连接。
  3. 【服务端】接收连接,调用accept方法,并返回一个Socket对象。
  4. 【客户端】Socket对象,获取OutputStream,向服务端写出数据。
  5. 【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。

自此,服务端向客户端回写数据。

  1. 【服务端】Socket对象,获取OutputStream,向客户端回写数据。
  2. 【客户端】Scoket对象,获取InputStream,解析回写数据。
  3. 【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 ServerTCP {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务端启动 , 等待连接 .... ");
        // 1.创建 ServerSocket对象,绑定端口,开始等待连接
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
        // 2.接收连接 accept 方法, 返回 socket 对象.
        Socket server = ss.accept();
        // 3.通过socket 获取输入流
        InputStream is = server.getInputStream();
        // 4.一次性读取数据
        // 4.1 创建字节数组
        byte[] b = new byte[1024];
        // 4.2 据读取到字节数组中.
        int len = is.read(b);
        // 4.3 解析数组,打印字符串信息
        String msg = new String(b, 0, len);
        System.out.println(msg);
        //5.关闭资源.
        is.close();
        server.close();
    }
}

客户端实现

public class ClientTCP {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("客户端 发送数据");
        // 1.创建 Socket ( ip , port ) , 确定连接到哪里.
        Socket client = new Socket("localhost", 6666);
        // 2.获取流对象 . 输出流
        OutputStream os = client.getOutputStream();
        // 3.写出数据.
        os.write("你好么? tcp ,我来了".getBytes());
        // 4. 关闭资源 .
        os.close();
        client.close();
    }
}

服务器向客户端回写数据

服务端实现

public class ServerTCP {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务端启动 , 等待连接 .... ");
        // 1.创建 ServerSocket对象,绑定端口,开始等待连接
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
        // 2.接收连接 accept 方法, 返回 socket 对象.
        Socket server = ss.accept();
        // 3.通过socket 获取输入流
        InputStream is = server.getInputStream();
        // 4.一次性读取数据
        // 4.1 创建字节数组
        byte[] b = new byte[1024];
        // 4.2 据读取到字节数组中.
        int len = is.read(b);
        // 4.3 解析数组,打印字符串信息
        String msg = new String(b, 0, len);
        System.out.println(msg);
        // =================回写数据=======================
        // 5. 通过 socket 获取输出流
         OutputStream out = server.getOutputStream();
        // 6. 回写数据
         out.write("我很好,谢谢你".getBytes());
        // 7.关闭资源.
        out.close();
        is.close();
        server.close();
    }
}

客户端实现

public class ClientTCP {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("客户端 发送数据");
        // 1.创建 Socket ( ip , port ) , 确定连接到哪里.
        Socket client = new Socket("localhost", 6666);
        // 2.通过Scoket,获取输出流对象
        OutputStream os = client.getOutputStream();
        // 3.写出数据.
        os.write("你好么? tcp ,我来了".getBytes());
        // ==============解析回写=========================
        // 4. 通过Scoket,获取 输入流对象
        InputStream in = client.getInputStream();
        // 5. 读取数据数据
        byte[] b = new byte[100];
        int len = in.read(b);
        System.out.println(new String(b, 0, len));
        // 6. 关闭资源 .
        in.close();
        os.close();
        client.close();
    }
}

第三章 综合案例

3.1 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。

基本实现
服务端实现

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. 建立连接
        Socket accept = serverSocket.accept();
        // 3. 创建流对象
        // 3.1 获取输入流,读取文件数据
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
        // 3.2 创建输出流,保存到本地 .
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("copy.jpg"));         // 4. 读写数据
        byte[] b = new byte[1024 * 8];
        int len;
        while ((len = bis.read(b)) != ‐1) {
            bos.write(b, 0, len);
        }
        //5. 关闭 资源
        bos.close();
        bis.close();
        accept.close();
        System.out.println("文件上传已保存");
    }
}

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);
            bos.flush();
        }
        System.out.println("文件发送完毕");
        // 3.释放资源

        bos.close();
        socket.close();
        bis.close();
        System.out.println("文件上传完毕 ");
    }
}

文件上传优化分析

  1. 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);
  1. 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();
    ......
}
  1. 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();
}

优化实现

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. 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();
        }
    }
}

信息回写分析图解

前四步与基本文件上传一致.

  1. 【服务端】获取输出流,回写数据。
  2. 【客户端】获取输入流,解析回写数据。

回写实现

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();
    }
}

3.2 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。
    复制到我们Module中,比如复制到day08中

  1. 我们模拟服务器端,ServerSocket类监听端口,使用浏览器访问
public static void main(String[] args) throws IOException {
    ServerSocket server = new ServerSocket(8000);
    Socket socket = server.accept();
    InputStream in = socket.getInputStream();
    byte[] bytes = new byte[1024];
    int len = in.read(bytes);
    System.out.println(new String(bytes,0,len));
    socket.close();
    server.close();
}
  1. 服务器程序中字节输入流可以读取到浏览器发来的请求信息

GET/web/index.html HTTP/1.1是浏览器的请求消息。/web/index.html为浏览器想要请求的服务器端的资源,使用 字符串切割方式获取到请求的资源。

//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(" ");
//去掉web前面的/
String path = strArr[1].substring(1);
System.out.println(path);

案例实现

服务端实现:

public class SerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务端  启动 , 等待连接 .... ");
        // 创建ServerSocket 对象
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        Socket socket = server.accept();
        // 转换流读取浏览器的请求消息
        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(" ");
        // 去掉web前面的/
        String path = strArr[1].substring(1);
        // 读取客户端请求的资源文件
        FileInputStream fis = new FileInputStream(path);
        byte[] bytes= new byte[1024];
        int len = 0 ;
        // 字节输出流,将文件写会客户端
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        // 写入HTTP协议响应头,固定写法
        out.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
        out.write("Content‐Type:text/html\r\n".getBytes());
        // 必须要写入空行,否则浏览器不解析
        out.write("\r\n".getBytes());
        while((len = fis.read(bytes))!=‐1){
            out.write(bytes,0,len);
        }
        fis.close();
        out.close();
        readWb.close();
        socket.close();
        server.close();
    }
}

访问效果

  • 火狐

注意:不同的浏览器,内核不一样,解析效果有可能不一样。

发现浏览器中出现很多的叉子,说明浏览器没有读取到图片信息导致。

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();
        }
    }
    static 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){

            }
        }
    }
}

访问效果:
图解: