Java之网络编程

一、什么是网络编程

在网络通信协议下，不同计算机上运行的程序，可以进行数据传输

二、常见的网络架构

1、B/S ：Browser/Server

只需要一个浏览器，用户通过不同的网址，客户访问不同的服务器。

例如：京东，淘宝

2、C/S ：Client/Server

在用户本地需要下载并安装客户端程序，在远程有一个服务器程序。

例如：QQ

3、优缺点

B/S
不需要开发客户端，只需要页面+服务器
用户不需要下载，打开浏览器就能使用
如果应用过大，用户体验受到影响
C/S
画面可以做的非常精美，用户体验好
需要开发客户端，也需要开发服务器
用户需要下载和更新的时候太麻烦

三、网络编程三要素

（一）、IP地址

全称：Iinternet Protocol，是互联网协议地址，也称IP地址。是分配给上网设备的数字标签

IP是设备在网络中的地址，是唯一标识

1、IPv4

是给每个连接在网络上的主机分配一个32bit地址。按照TCP/IP规定，IP地址用二进制来表示，每个IP地址长32bit，也就是4个字节。例如一个采用二进制形式的IP地址是“11000000 10101000 00000001 01000010”，这么长的地址，处理起来也太费劲了。为了方便使用，IP地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号“.”分隔不同的字节。于是，上面的IP地址可以表示为“192.168.1.66”。IP地址的这种表示法叫做“点分十进制表示法”，这显然比1和0容易记忆得多

2、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，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，这样就解决了网络地址资源数量不够的问题

3、InetAddress类

此类表示互联网（IP）地址

相关方法

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

public class Demo {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {
        // 获取InetAddress的对象，属性可以是ip地址，也可以是机器名称
        // InetAddress address= InetAddress.getByName("192.168.16.100");
        InetAddress address= InetAddress.getByName("DESKTOP-LED4SES");
        System.out.println(address);

        // 获取此IP地址的主机名
        String hostName = address.getHostName();
        System.out.println(hostName);

        // 返回文本显示中的IP地址字符串
        String ip = address.getHostAddress();
        System.out.println(ip);
    }
}

（二）、端口

应用程序在设备中唯一的标识

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。

（三）、协议

数据在网络中传输的规则，常见的协议有UDP、TCP、http、https、ftp。

OSI参考模型：世界互联协议标准，全球通信规范，单模型过于理想化，未能在因特网上进行广泛推荐
TCP/IP参考模型（TCP/IP协议）：事实上的国际标准

1、UDP协议

用户数据报协议(User Datagram Protocol)
UDP是面向无连接通信协议，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协议消耗系统资源小，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
有大小限制，一次最多发送64KB，数据不安全，易丢失数据

2、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
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。例如上传文件、下载文件、浏览网页等

四、UDP通信程序

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

（一）、UDP发送数据

1、构造方法

DatagramSocket()：创建数据报套接字并将其绑定到本机地址上的任何可用端口 |
DatagramPacket(byte[] buf,int len,InetAddress add,int port)：创建数据包,发送长度为len的数据包到指定主机的指定端口

2、相关方法

void send(DatagramPacket p)：发送数据报包
void close()：关闭数据报套接字
void receive(DatagramPacket p)：从此套接字接受数据报包

3、发送数据的步骤

创建发送端的Socket对象(DatagramSocket)
创建数据，并把数据打包
调用DatagramSocket对象的方法发送数据
关闭发送端

4、示例

public class SendMessageDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建对象
        //    绑定对应端口
        //      空参：所有可用的端口中随机一个进行使用
        //      有参：指定端口号进行绑定
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

        // 创建数据，并把数据打包
        byte[] bytes = "hello world".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
        int port = 12345;

        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes,bytes.length,address,port);
        
        // 发送数据
        ds.send(dp);

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

（二）、UDP接收数据

1、接收数据的步骤

创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
创建一个数据包，用于接收数据
调用DatagramSocket对象的方法接收数据
解析数据包，并把数据在控制台显示
关闭接收端

2、示例

public class ReceiveMessageDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
        //    在接受数据的时候，一定要绑定端口
        //    而且绑定的端口一定要跟发送的端口保持一致
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(12345);

        //创建一个数据包，用于接收数据
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);

        //调用DatagramSocket对象的方法接收数据
        //    该方法是阻塞的
        //    运行到这一步时，会等发送端发送消息
        ds.receive(dp);

        //解析数据包，并把数据在控制台显示
        byte[] data = dp.getData();
        int len = dp.getLength();
        InetAddress address = dp.getAddress();
        int port = dp.getPort();

        System.out.println("接收到的数据：" + new String(data, 0, len));
        System.out.println("address = " + address);
        System.out.println("port = " + port);

        //关闭接收端
        ds.close();
    }
}

注意：先启动接收端，再启动发送端

五、UDP三种通讯方式

（一）、单播

单播用于两个主机之间的端对端通信

上面写的代码都是单播形式，不再演示

（二）、组播

组播用于对一组特定的主机进行通信

组播地址：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255，其中224.0.0.0 ~ 224.0.0.255为预留的组播地址

1、实现步骤

发送端
    1. 创建发送端的Socket对象(DatagramSocket)
    2. 创建数据，并把数据打包(DatagramPacket)
    3. 调用DatagramSocket对象的方法发送数据(在单播中,这里是发给指定IP的电脑但是在组播当中,这里是发给组播地址)
    4. 释放资源

接收端
    1. 创建接收端Socket对象(MulticastSocket)
    2. 创建一个箱子,用于接收数据
    3. 把当前计算机绑定一个组播地址
    4. 将数据接收到箱子中
    5. 解析数据包,并打印数据
    6. 释放资源

2、示例

public class SendMessageDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 创建接收端Socket对象(MulticastSocket)
        MulticastSocket ms = new MulticastSocket();

        // 2. 创建DatagramPacket对象
        String str = "hello啊";
        byte[] bytes = str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.1.0");
        int port = 10000;

        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port);

        // 3. 发送数据
        ms.send(dp);

        // 4. 释放资源
        ms.close();
    }
}

public class ReceiveMessageDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 创建发送端的Socket对象(DatagramSocket)
        MulticastSocket ms = new MulticastSocket(10000);

        // 2. 将当前本机，添加到224.0.0.1这一组中
        InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.1.0");
        ms.joinGroup(address);

        // 3. 创建数据包对象
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);

        // 4. 接收数据
        ms.receive(dp);

        // 5. 解析数据
        byte[] data = dp.getData();
        int len = dp.getLength();
        String ip = dp.getAddress().getHostAddress();
        String name = dp.getAddress().getHostName();

        System.out.println("ip为：" + ip + "，主机名为：" + name + "的人，发送了数据：" + new String(data, 0, len));

        // 6. 释放资源
        ms.close();

    }
}

（三）、广播

广播用于一个主机对整个局域网上所有主机上的数据通信

广播地址：255.255.255.255

1、实现步骤

发送端
    1. 创建发送端Socket对象(DatagramSocket)
    2. 创建存储数据的箱子,将广播地址封装进去
    3. 发送数据
    4. 释放资源

接收端
    1. 创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
    2. 创建一个数据包，用于接收数据
    3. 调用DatagramSocket对象的方法接收数据
    4. 解析数据包，并把数据在控制台显示
    5. 关闭接收端

2、示例

  // 发送端
  public class ClientDemo {
      public static void main(String[] args) throws IOException {
          // 1. 创建发送端Socket对象(DatagramSocket)
          DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
  		  // 2. 创建存储数据的箱子,将广播地址封装进去
          String s = "广播 hello";
          byte[] bytes = s.getBytes();
          InetAddress address = InetAddress.getByName("255.255.255.255");
          int port = 10000;
          DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes,bytes.length,address,port);
  		  // 3. 发送数据
          ds.send(dp);
  		  // 4. 释放资源
          ds.close();
      }
  }
  
  // 接收端
  public class ServerDemo {
      public static void main(String[] args) throws IOException {
          // 1. 创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
          DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10000);
          // 2. 创建一个数据包，用于接收数据
          DatagramPacket dp = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
          // 3. 调用DatagramSocket对象的方法接收数据
          ds.receive(dp);
          // 4. 解析数据包，并把数据在控制台显示
          byte[] data = dp.getData();
          int length = dp.getLength();
          System.out.println(new String(data,0,length));
          // 5. 关闭接收端
          ds.close();
      }
  }

六、TCP通信程序

Java对基于TCP协议的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

（一）、TCP发送数据

1、构造方法

Socket(InetAddress address,int port)：创建流套接字并将其连接到指定IP指定端口号
Socket(String host, int port) ：创建流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号

2、相关方法

InputStream getInputStream()：返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()：返回此套接字的输出流

3、示例

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1. 创建客户端Socket对象
        //    在创建对象的同时会连接服务端
        //    如果连接不上，代码会报错
        Socket socket = new Socket("localhost", 12345);

        //2. 从连接通道中获取输出流
        OutputStream os = socket.getOutputStream();

        //3. 写出数据
        os.write("hello".getBytes());

        //4. 释放资源
        os.close();
        socket.close();
    }
}

（二）、TCP接收数据

1、构造方法

ServletSocket(int port)：创建绑定到指定端口的服务器套接字

2、相关方法

Socket accept()：监听要连接到此的套接字并接受它

3、注意事项

  1. accept方法是阻塞的,作用就是等待客户端连接
  2. 客户端创建对象并连接服务器,此时是通过三次握手协议,保证跟服务器之间的连接
  3. 针对客户端来讲,是往外写的,所以是输出流。针对服务器来讲,是往里读的,所以是输入流
  4. read方法也是阻塞的
  5. 客户端在关流的时候,还多了一个往服务器写结束标记的动作
  6. 最后一步断开连接,通过四次挥手协议保证连接终止

4、示例

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1. 创建对象ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(12345);

        //2. 监听客户端的连接
        Socket socket = serverSocket.accept();

        //3. 从连接通道中获取输入流
        InputStream is = socket.getInputStream();

        //4. 读取数据
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len;
        while ((len = is.read(bytes)) != -1) {
            System.out.println(new String(bytes, 0, len));
        }

        //5. 释放资源
        is.close();
        socket.close();
    }
}

（三）、三次握手和四次挥手

1、三次握手

三次握手是指在TCP/IP协议中，在建立一个TCP连接时，需要进行三次握手的过程。

客户端向服务器发送一个SYN（同步）包，表示请求建立连接。
服务器收到客户端的SYN包后，回复一个SYN+ACK（同步+确认）包，表示接受连接请求。
客户端收到服务器的SYN+ACK包后，再发送一个ACK（确认）包，表示确认连接。

2、四次挥手

四次挥手是指在TCP/IP协议中，在断开一个TCP连接时，需要进行四次挥手的过程。

当一个应用程序或操作系统要关闭TCP连接时，发送一个FIN包，表示不再发送数据。
接收方收到FIN包后，发送一个ACK包，表示收到了关闭请求。
接收方等待一段时间（即等待应用程序处理完所有数据），然后发送一个FIN包，表示自己也准备关闭连接。
发送方收到FIN包后，发送一个ACK包，表示接受关闭请求。此时连接关闭。