网络编程——TCP协议和通信

Posted 2020-12-29 fanjava

第1章 TCP通信

TCP通信同UDP通信一样，都能实现两台计算机之间的通信，通信的两端都需要创建socket对象。

区别在于，UDP中只有发送端和接收端，不区分客户端与服务器端，计算机之间可以任意地发送数据。

而TCP通信是严格区分客户端与服务器端的，在通信时，必须先由客户端去连接服务器端才能实现通信，服务器端不可以主动连接客户端，并且服务器端程序需要事先启动，等待客户端的连接。

在JDK中提供了两个类用于实现TCP程序，一个是ServerSocket类，用于表示服务器端，一个是Socket类，用于表示客户端。

通信时，首先创建代表服务器端的ServerSocket对象，该对象相当于开启一个服务，并等待客户端的连接，然后创建代表客户端的Socket对象向服务器端发出连接请求，服务器端响应请求，两者建立连接开始通信。

客户端Socket类向服务器的ServerSocket类请求连接，实现了数据同路连接，连接同路中，有一个对象建立完毕，这个对象就是IO流对象(字节流)

 

1.1 ServerSocket

通过前面的学习知道，在开发TCP程序时，首先需要创建服务器端程序。JDK的java.net包中提供了一个ServerSocket类，该类的实例对象可以实现一个服务器段的程序。通过查阅API文档可知，ServerSocket类提供了多种构造方法，接下来就对ServerSocket的构造方法进行逐一地讲解。

 

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）。

接下来学习一下ServerSocket的常用方法，如表所示。

ServerSocket对象负责监听某台计算机的某个端口号，在创建ServerSocket对象后，需要继续调用该对象的accept()方法，接收来自客户端的请求。当执行了accept()方法之后，服务器端程序会发生阻塞，直到客户端发出连接请求，accept()方法才会返回一个Scoket对象用于和客户端实现通信，程序才能继续向下执行。

1.2 Socket

讲解了ServerSocket对象可以实现服务端程序，但只实现服务器端程序还不能完成通信，此时还需要一个客户端程序与之交互，为此JDK提供了一个Socket类，用于实现TCP客户端程序。

通过查阅API文档可知Socket类同样提供了多种构造方法，接下来就对Socket的常用构造方法进行详细讲解。

使用该构造方法在创建Socket对象时，会根据参数去连接在指定地址和端口上运行的服务器程序，其中参数host接收的是一个字符串类型的IP地址。

该方法在使用上与第二个构造方法类似，参数address用于接收一个InetAddress类型的对象，该对象用于封装一个IP地址。

在以上Socket的构造方法中，最常用的是第一个构造方法。

接下来学习一下Socket的常用方法，如表所示。

在Socket类的常用方法中，getInputStream()和getOutStream()方法分别用于获取输入流和输出流。当客户端和服务端建立连接后，数据是以IO流的形式进行交互的，从而实现通信。

接下来通过一张图来描述服务器端和客户端的数据传输，如下图所示。

1.3 简单的TCP网络程序

了解了ServerSocket、Socket类的基本用法，为了让大家更好地掌握这两个类的使用，接下来通过一个TCP通信的案例来进一步学习。如下图所示。

 客户端代码：

/**
 * 实现TCP客户端，连接到服务器
 * 和服务器实现数据交换
 * 实现TCP客户端程序类java.net.Socket
 *
 * 构造方法：
 *      Socket(String host, int port) 传递服务器IP和端口号
 *      注意:构造方法只要运行，就会和服务器进行连接，连接失败，抛出异常
 *
 * OutputStream getOutputStream() 返回套接字的输出流
 *      作用：将数据输出，输出到服务器
 * InputStream getInputStream() 返回套接字的输入流
 *      作用：从服务器端读取数据
 *
 * 客户端服务器数据交换，你虚使用套接字对象Socket中获取IO流，自己new的IO流，没用
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/13.
 */
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        //创建Socket对象，连接服务器
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
        //通过客户端的套接字方法Socket的方法，获取字节输出流，将输入写向服务器
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        outputStream.write("服务器OK".getBytes());

        //读取服务器发回的数据，使用socket套接字对象中的字节输入流
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        byte[] data = new byte[1024];
        int len = inputStream.read(data);
        System.out.println(new String(data,0,len));
        socket.close();
    }
}

服务器端：

/**
 * 实现TCP服务器程序
 * 表示服务器程序类java.net.ServerSocket
 *
 * 构造方法：
 *      ServerSocket(int port) 传递端口号
 *
 * 很重要的事情：必须要获取客户端的Socket对象
 *      Socket   accept()
 * 服务器可以获取到客户端的套接字对象
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/13.
 */
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        //调用服务器套接字对象中的方法accept() 获取客户端套接字对象
        Socket socket = server.accept();
        //System.out.println(socket);
        //通过客户端套接字对象，Socket获取字节输入流,读取的是客户端发送来的数据
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        byte[] data = new byte[1024];
        int length = inputStream.read(data);
        System.out.println(new String(data,0,length));

        //服务器向客户端回数据，字节输出流，通过客户端套接字对象获取字节输出流
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        outputStream.write("收到，谢谢".getBytes());
        socket.close();
        server.close();
    }
}

TCP中的流对象过程:服务端有两个问题需要解决 (1)需要知道是哪个客户端输出流，(2)ServerSocket本身是没有流操作的，需要用到客户端类Socket的流操作

1.4 文件上传案例

目前大多数服务器都会提供文件上传的功能，由于文件上传需要数据的安全性和完整性，很明显需要使用TCP协议来实现。接下来通过一个案例来实现图片上传的功能。如下图所示。原图：文件上传.bmp

 

 要实现TCP通信需要创建一个服务器端程序和一个客户端程序，为了保证数据传输的安全性，首先需要实现服务器端程序。

 

/**
 * 实现TCP图片上传客户端
 * 实现步骤：
 *      1.Socket套接字连接服务器
 *      2.通过Socket获取字节输出流，写入图片
 *      3.使用自己的流对象，读取图片数据源
 *          FileInputStream
 *      4.读取图片，使用字节输出流，将图片写到服务器
 *          采用字节数组进行缓冲
 *      5.通过Socket套接字获取字节输入流
 *          读取服务器发回来的上传成功
 *      6.关闭资源
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/13.
 */
public class TCPClientPic {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8000);
        //获取字节输出流，将图片写入服务器
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        //创建字节输入流，读取本机上的数据源图片
        FileInputStream fis = new FileInputStream("C:\\Users\\Public\\Pictures\\Sample Pictures\\p_1508807882673.jpg");
        //开始读写字节数组
        int len = 0;
        byte[] data = new byte[1024];
        while ((len = fis.read(data)) != -1) {
            out.write(data, 0, len);
        }
        //给服务器写终止序列
        socket.shutdownOutput();
        //获取字节输入流，读取服务器上传成功
        InputStream in = socket.getInputStream();
        len = in.read(data);
        System.out.println(new String(data,0,len));

        fis.close();
        socket.close();
    }
}

 

完成了服务器端程序的编写，接下来编写客户端程序。

 

/**
 * TCP图片上传服务器
 *      1.ServerSocket套接字对象，监听端口号8000
 *      2.方法accept()获取客户端连接对象
 *      3.客户端连接对象获取字节输入流，读取客户端发送图片
 *      4.创建File对象，绑定上传的文件夹
 *          判断文件夹是否存在
 *      5.创建字节输出流，数据目的File对象所在的文件夹
 *      6.字节流读取图片，字节流将图片写入到目的文件夹中
 *      7.将上传成功写回客户端
 *      8.关闭资源
 * Created by YuKai Fan on 2018/8/13.
 */
public class TCPServerPic {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        ServerSocket server = new ServerSocket(8000);
        Socket socket = server.accept();
        //通过客户端连接对象，获取字节输入流，读取客户端图片
        InputStream in = socket.getInputStream();
        //将目的文件夹封装到File对象
        File upload = new File("d:\\upload");
        if (!upload.exists()) {
            upload.mkdir();
        }
        //防止文件同名，重新定义文件名字
        //规则：域名+毫秒值+6位随机数
        String filename = "java"+System.currentTimeMillis()+new Random().nextInt(9999)+".jpg";
        //创建字节输出流，将图片写入目的文件夹中
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(upload + File.separator + filename);
        //读写字节数组
        byte[] data = new byte[1024];
        int len = 0;
        while ((len = in.read(data)) != -1) {//读到的是客户端的数据，永远也读不到-1，所以一直处于线程等待
            fos.write(data,0,len);
        }
        socket.getOutputStream().write("上传成功".getBytes());
        socket.close();
        server.close();
        fos.close();
    }
}

 

1.5文件上传案例多线程版本

 

 

 

实现服务器端可以同时接收多个客户端上传的文件。

l 我们要修改服务器端代码

 

/*
 * 文件上传多线程版本, 服务器端
 */
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1,创建服务器，等待客户端连接
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        
        //实现多个客户端连接服务器的操作
        while(true){
            final Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //启动线程，完成与当前客户端的数据交互过程
            new Thread(){
                public void run() {
                    try{
                        //显示哪个客户端Socket连接上了服务器
                        InetAddress ipObject = clientSocket.getInetAddress();//得到IP地址对象
                        String ip = ipObject.getHostAddress(); //得到IP地址字符串
                        System.out.println("小样，抓到你了，连接我！！" + "IP:" + ip);
                        
                        //7,获取Socket的输入流
                        InputStream in = clientSocket.getInputStream();
                        //8,创建目的地的字节输出流   D:\\upload\\192.168.74.58(1).jpg
                        BufferedOutputStream fileOut = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("D:\\upload\\"+ip+"("+System.currentTimeMillis()+").jpg"));
                        //9,把Socket输入流中的数据，写入目的地的字节输出流中
                        byte[] buffer = new byte[1024];
                        int len = -1;
                        while((len = in.read(buffer)) != -1){
                            //写入目的地的字节输出流中
                            fileOut.write(buffer, 0, len);
                        }
                        
                        //-----------------反馈信息---------------------
                        //10,获取Socket的输出流, 作用：写反馈信息给客户端
                        OutputStream out = clientSocket.getOutputStream();
                        //11,写反馈信息给客户端
                        out.write("图片上传成功".getBytes());
                        
                        out.close();
                        fileOut.close();
                        in.close();
                        clientSocket.close();
                    } catch(IOException e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                };
            }.start();
        }

        //serverSocket.close();
    }
}