Java 网络编程

Posted 2020-11-13 blog-s

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• Java 网络编程
  • 1. 网络编程入门
    • 1.1 软件结构
    • 1.2 网络通信协议
    • 1.3 协议分类
    • 1.4 网络编程三要素
  • 2. TCP通信程序
    • 2.1 概述
    • 2.2 Socket类
    • 2.3 ServerSocket类
  • 3. 综合案例
    • 3.1 文件上传案例
    • 3.2 模拟B / S服务器(学html的时候再回过头来看)

Java 网络编程

1. 网络编程入门

1.1 软件结构

• C/S结构：全称 Client / Server 结构，是指客户端和服务器结构。常见的有QQ、迅雷等软件。
• B/S结构：全称 Browser / Server 结构，是指浏览器和服务器结构。常见的有谷歌、火狐、IE等等。

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

• 协议即为规则
• 网络通信协议：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。
• TCP/IP协议共分为四层，分别是：物理层、数据链路层 ，网络层，传输层，应用层。

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：

• 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。

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：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。

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。

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。

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”手机号码“。

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：是一个128位的二进制数，每16个字节位一组，分成8组16进制数。号称可以世界上的每一粒沙子编上一个网址。

常用命令

• 查看本机的IP地址

  ipconfig

• 检查网络是否联通
  ping 空格 IP地址

特殊的IP地址

• 本机的IP地址：127.0.0.1、localhost。

端口号

问题：我们必须保证数据能准确无误的发送到对方的计算机的指定软件上。
解决：我们使用IP地址+端口号的方式就可以保证数据准确无误的发送到对方计算机的指定软件上。

• 端口号：是一个逻辑端口，我们无法直接看到，可以一些软件查看端口号。
• 当我们的网络软件一打开的时候，那么操作系统就会为网络软件分配一个随机的端口号，或者网络软件在打开的时候向操作系统要指定的端口号。
• 端口号是由两个字节组成，取值范围在 0 ~ 65535 之间

注意事项：
1024之前的端口号我们不能使用，已经被系统分配给已知的网络软件了，网络软件的端口号不能重复。

常用的端口号：

1. 80端口：网络端口 www.baidu.com:80 正确网址
2. 数据库：mysql：3306； Oracle：1521
3. Tomcat服务器：8080

2. 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，要严格区分客户端（Client）和服务器端（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。服务器端不可以主动连接客户端。

TCP通信：面向连接的通信，客户端和服务器端必须经过三次握手，建立逻辑连接，才能通信（安全）。

通信的步骤：
服务器端先启动，服务器端不会主动连接客户端，必须使用客户端请求服务器端，客户端和服务器端建立逻辑连接，而这个连接中包含一个对象，即IO对象，客户端和服务器端就可以使用IO对象进行通信，通信的数不仅仅是字符，所以IO对象是字节流对象。

客户端和服务器端进行一次数据交互，需要4个IO对象。

服务器端必须明确的两件事情：

1. 多个客户端同时和服务器端进行交互，服务器必须明确和哪个客户端进行的交互。
   在服务器端有一个方法，叫 accept，能获取到请求的客户端对象。
2. 多个客户端同时和服务器端进行交互，就需要使用多个IO流对象。
   服务器是没有 IO流的，服务器可以获取到请求的客户端对象 Socket，使用每个客户端的 Socket中提供的IO流和客户端进行交互。
   服务器使用客户端的字节输入流来读取客户端发生的数据。
   服务器使用客户端的字节输出流来给客户端回写数据。

服务器使用客户端的流和客户端交互。

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 host：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，构造方法中绑定服务器的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. 使用网络字节输出流InputStream对象中的方法 read，读取服务器回写的数据。
6. 释放资源（Socket）

注意事项：

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，不能使用字节创建的流对象。
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三次握手，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。

代码实现（1）

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

/*
TCP通信的客户端
实现步骤：
    1.创建一个客户端对象Socket，构造方法中绑定服务器的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对象
    3.使用网络字节输出流对象中的方法 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对象
    5.使用网络字节输入流对象中的方法，read，读取服务器回写的数据
    6.释放资源

 */
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1.创建客户端对象，构造方法中绑定IP地址和端口号
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 6666);
        // 2.使用Socket中的 getOutputStream，获取网络字节输出流对象
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        // 3.调用网络字节输出流对象的 writer方法，向服务器发送数据
        os.write("你好服务器".getBytes());
        // 4.使用Socket对象中的方法，getInputStream，获取网络字节输入流对象
        InputStream is = socket.getInputStream();
        // 5.使用网络字节输入流对象中的方法 read，读取服务器回写的数据
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = is.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes, 0, len));
        // 6.释放资源(Socket)
        socket.close();
    }
}

2.3 ServerSocket类

• TCP通信的服务器端：接受客户端的请求，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方法获取请求到的客户端对象 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,并向系统要指定的端口号
2. 使用ServerSocket对象中的方法，accept，获取请求到的客户端对象Socket
3. 使用Socket对象中的方法getInputStream，获取网络字节输入流对象
4. 使用网络字节输入流对象中的方法，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对象
6. 使用网络字节输出流对象中的方法，write，回写给客户端数据
7. 释放资源(Socket, ServerSocket)

代码实现（2）

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

/*
TCP通信的服务器端：接受客户端的请求，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方法获取请求到的客户端对象 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,并向系统要指定的端口号
        2.使用ServerSocket对象中的方法，accept，获取请求到的客户端对象Socket
        3.使用Socket对象中的方法getInputStream，获取网络字节输入流对象
        4.使用网络字节输入流对象中的方法，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对象
        6.使用网络字节输出流对象中的方法，write，回写给客户端数据
        7.释放资源(Socket, ServerSocket)
 */
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));

        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        os.write("谢谢你".getBytes());

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

3. 综合案例

3.1 文件上传案例

文件上传原理

客户端代码

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

/*
    文件上传案例客户端：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 D:\aaa\3.jpeg
        目的地 服务器
    实现步骤：
        1.创建本地字节输入流FileInputStream对象，构造方法中绑定读取数据的数据源
        2.创建一个客户端Socket对象，使用getOutputStream获取网络字节输出流OutputStream对象
        3.使用本地字节输入流对象中的方法read，读取本地文件
        4.使用网络字节输出流OutputStream对象中的方法，write,把文件上传到服务器
        5.使用Socket中的方法，getInputStream，获取网络字节输出流InputStream对象
        6.使用网络字节输出流InputStream对象中的方法，read读取服务器回写的数据
        7.释放资源(FileInputStream, Socket)
 */
public class FileUploadClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1.创建本地字节输入流FileInputStream对象，构造方法中绑定读取数据的数据源
        FileInputStream fis = new FileInputStream("D:\aaa\3.jpeg");
        // 2.创建一个客户端Socket对象，使用getOutputStream获取网络字节输出流OutputStream对象
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        // 3.使用本地字节输入流对象中的方法read，读取本地文件
        int len = 0;
        byte[] bytes = new byte[1024];
        while ((len = fis.read(bytes)) != -1) {
            // 4.使用网络字节输出流OutputStream对象中的方法，write,把文件上传到服务器
            os.write(bytes, 0, len);
        }
        // 解决
        socket.shutdownOutput();
        /*
            问题：
                fis.read(bytes)读取本地文件，while循环里不会读取到-1
                也不会把结束标记写给服务器
                服务器端读取客户端上传的数据时，永远也读取不到结束标记
                read方法处于堵塞状态，一直死循环等待结束标记

            解决：上传完文件，给服务器写一个结束标记
             void 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。

         */
        // 5.使用Socket中的方法，getInputStream，获取网络字节输出流InputStream对象
        InputStream is = socket.getInputStream();
        while ((len = is.read(bytes)) != -1) {
            // 6.使用网络字节输出流InputStream对象中的方法，read读取服务器回写的数据
            System.out.println(new String(bytes, 0, len));
        }
        // 7.释放资源(File Input Stream，Socket)
        fis.close();
        socket.close();
    }
}

服务器端代码

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

/*
    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：客户端上传的数据
        目的地：D:\uplaod\3.jepg
    实现步骤：
        1.创建服务器ServerSocket对象，向系统要指定的端口号
        2.使用ServerSocket对象中的方法，accept，获取当前请求的客户端Socket对象
        3.使用Socket对象中的方法，getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
        4.判断 D:\uplaod文件夹是否存在，不存在则创建
        5.创建本地字节输入流OutputStream对象，构造方法中绑定要写入数据的目的地
        6.使用网络字节输入流中的方法，read，读取客户端上传的数据
        7.使用本地字节输入流OutputStream对象中的方法，write，写入服务器的硬盘
        8.使用Socekt对象中的方法，getOutputStream，获取网络字节输出流OuputStream对象
        9.使用网络字节输出流对象中的方法，write，给客户端回写数据
        10.释放资源(File'OutputStream, Socket, ServerSocket)

 */
public class FileUploadServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
//        1.创建服务器ServerSocket对象，向系统要指定的端口号
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
//        2.使用ServerSocket对象中的方法，accept，获取当前请求的客户端Socket对象
        Socket socket = server.accept();
//        3.使用Socket对象中的方法，getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
        InputStream is = socket.getInputStream();
//        4.判断 D:\uplaod文件夹是否存在，不存在则创建
        File file = new File("D:\upload");
        if (!file.exists()) {
            file.mkdirs();
        }
//        5.创建本地字节输入流OutputStream对象，构造方法中绑定要写入数据的目的地
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file + "\3.jpeg");
//        6.使用网络字节输入流中的方法，read，读取客户端上传的数据
        int len = 0;
        byte[] bytes = new byte[1024];
        while ((len = is.read(bytes)) != -1) {
//        7.使用本地字节输入流OutputStream对象中的方法，write，写入服务器的硬盘
            fos.write(bytes, 0, len);
        }
//        8.使用Socekt对象中的方法，getOutputStream，获取网络字节输出流OuputStream对象
//        9.使用网络字节输出流对象中的方法，write，给客户端回写数据
        socket.getOutputStream().write("上传成功".getBytes());
//        10.释放资源(FileOutputStream, Socket, ServerSocket)
        fos.close();
        socket.close();
        server.close();
    }
}

对服务器端代码的优化

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Random;

/*
    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：客户端上传的数据
        目的地：D:\uplaod\3.jepg
    实现步骤：
        1.创建服务器ServerSocket对象，向系统要指定的端口号
        2.使用ServerSocket对象中的方法，accept，获取当前请求的客户端Socket对象
        3.使用Socket对象中的方法，getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
        4.判断 D:\uplaod文件夹是否存在，不存在则创建
        5.创建本地字节输入流OutputStream对象，构造方法中绑定要写入数据的目的地
        6.使用网络字节输入流中的方法，read，读取客户端上传的数据
        7.使用本地字节输入流OutputStream对象中的方法，write，写入服务器的硬盘
        8.使用Socekt对象中的方法，getOutputStream，获取网络字节输出流OuputStream对象
        9.使用网络字节输出流对象中的方法，write，给客户端回写数据
        10.释放资源(File'OutputStream, Socket, ServerSocket)

 */
public class FileUploadServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1.创建服务器ServerSocket对象，向系统要指定的端口号
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        /*
        优化 2:
        让服务器一直处于监听状态(死循环 accept方法)
        让一个客户端上传文件，就保存一个文件
         */
        while (true) {
            /*
            优化 3：
            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() {
                // 开启线程任务,完成文件的上传
                @Override
                public void run() {
                    try { // Runnable接口中没有声明抛出异常,只能捕获异常
                        // 2.使用ServerSocket对象中的方法，accept，获取当前请求的客户端Socket对象
                        Socket socket = server.accept();
                        // 3.使用Socket对象中的方法，getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
                        InputStream is = socket.getInputStream();
                        // 4.判断 D:\uplaod文件夹是否存在，不存在则创建
                        File file = new File("D:\upload");
                        if (!file.exists()) {
                            file.mkdirs();
                        }
                        /*
                        优化 1:
                        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 = "itcast" + System.currentTimeMillis() + new Random().nextInt(999999) + ".jpeg";

                        // 5.创建本地字节输入流OutputStream对象，构造方法中绑定要写入数据的目的地
                        // FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file + "\3.jpeg");
                        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file + "\" + filename);

                        // 6.使用网络字节输入流中的方法，read，读取客户端上传的数据
                        int len = 0;
                        byte[] bytes = new byte[1024];
                        while ((len = is.read(bytes)) != -1) {
                            // 7.使用本地字节输入流OutputStream对象中的方法，write，写入服务器的硬盘
                            fos.write(bytes, 0, len);
                        }
                        // 8.使用Socekt对象中的方法，getOutputStream，获取网络字节输出流OuputStream对象
                        // 9.使用网络字节输出流对象中的方法，write，给客户端回写数据
                        socket.getOutputStream().write("上传成功".getBytes());
                        // 10.释放资源(FileOutputStream, Socket, ServerSocket)
                        fos.close();
                        socket.close();

                    } catch (IOException e) {
                        System.out.println(e);
                    } finally {

                    }
                }
            }).start();
        }

        // 死循环，服务器就不用关闭了
        // server.close();
    }
}

3.2 模拟B / S服务器(学html的时候再回过头来看)

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

/*
    创建BS版本的TCP服务器
 */
public class BSTCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个服务器ServerSocket对象，和系统要指定的端口号
        ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
        /*
            浏览器解析服务器回写的html页面，页面中如果有图片
            那么浏览器就会单独开启一个线程，读取服务器的图片
            我们就让服务器一直处于监听状态，客户端请求一个，服务器就会写一次
         */

        while (true) {
            // 使用accept方法获取请求到的客户端对象
            Socket socket = server.accept();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 使用socket对象中的方法，getInputStream，获取网络字节输入流InputStream对象
                        InputStream is = socket.getInputStream();
                        // 使用网络字节输入流中的方法，read，读取数据
                        /*int len = 0;
                        byte[] bytes = new byte[1024];
                        while ((len = is.read(bytes)) != -1) {
                            System.out.println(new String(bytes, 0, len));
                        }*/

                        // 把网络字节输入流对象，转换为字符缓冲输入流对象
                        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
                        // 把客户端请求信息的第一行读取出来，
                        String line = br.readLine();
                        // 把读取的数据进行切割，只要中间部分，
                        String[] arr = line.split(" ");
                        // 把路径前边的 / 去掉，进行截取
                        String htmlpath = arr[1].substring(1);

                        // 创建本地字节输入流对象，构造方法中绑定要读取的html路径
                        FileInputStream fis = new FileInputStream(htmlpath);

                        // 使用Socket中的getOutputStream方法，获取网络字节输出流对象
                        OutputStream os = socket.getOutputStream();

                        /*
                        学HTML的时候再学,固定的写法
                         */

                        os.write("HTTP/1.1 200 OK
".getBytes());
                        os.write("Content-Type:text/html
".getBytes());
                        os.write("
".getBytes());

                        // 一读一写
                        int len = 0;
                        byte[] bytes = new byte[1024];
                        while ((len = fis.read(bytes)) != -1) {
                            os.write(bytes, 0, len);
                        }

                        // 释放资源
                        fis.close();
                        socket.close();

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

                }
            }).start();
        }
    }
}