Java——网络编程（通信协议）

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我是靠谱客的博主缓慢电灯胆，最近开发中收集的这篇文章主要介绍Java——网络编程（通信协议），觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

第1章网络通信协议

网络通信协议有很多种，目前应用最广泛的是TCP/IP协议(Transmission Control Protocal/Internet Protoal传输控制协议/英特网互联协议)，它是一个包括TCP协议和IP协议，UDP（User Datagram Protocol）协议和其它一些协议的协议组。
在进行数据传输时，要求发送的数据与收到的数据完全一样，这时，就需要在原有的数据上添加很多信息，以保证数据在传输过程中数据格式完全一致。TCP/IP协议的层次结构比较简单，共分为四层，如图所示。
在这里插入图片描述
上图中，TCP/IP协议中的四层分别是应用层、传输层、网络层和链路层，每层分别负责不同的通信功能，接下来针对这四层进行详细地讲解。
链路层：链路层是用于定义物理传输通道，通常是对某些网络连接设备的驱动协议，例如针对光纤、网线提供的驱动。
网络层：网络层是整个TCP/IP协议的核心，它主要用于将传输的数据进行分组，将分组数据发送到目标计算机或者网络。
传输层：主要使网络程序进行通信，在进行网络通信时，可以采用TCP协议，也可以采用UDP协议。
应用层：主要负责应用程序的协议，例如HTTP协议、FTP协议等。

1.1 IP地址和端口号
要想使网络中的计算机能够进行通信，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接受数据的计算机或者发送数据的计算机。
在TCP/IP协议中，这个标识号就是IP地址，它可以唯一标识一台计算机，目前，IP地址广泛使用的版本是IPv4，它是由4个字节大小的二进制数来表示，如：00001010000000000000000000000001。由于二进制形式表示的IP地址非常不便记忆和处理，因此通常会将IP地址写成十进制的形式，每个字节用一个十进制数字(0-255)表示，数字间用符号“.”分开，如 “192.168.1.100”。
随着计算机网络规模的不断扩大，对IP地址的需求也越来越多，IPV4这种用4个字节表示的IP地址面临枯竭，因此IPv6 便应运而生了，IPv6使用16个字节表示IP地址，它所拥有的地址容量约是IPv4的8×1028倍，达到2128个（算上全零的），这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。
通过IP地址可以连接到指定计算机，但如果想访问目标计算机中的某个应用程序，还需要指定端口号。在计算机中，不同的应用程序是通过端口号区分的。端口号是用两个字节（16位的二进制数）表示的，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，用户的普通应用程序需要使用1024以上的端口号，从而避免端口号被另外一个应用或服务所占用。
接下来通过一个图例来描述IP地址和端口号的作用，如下图所示。
在这里插入图片描述
从上图中可以清楚地看到，位于网络中一台计算机可以通过IP地址去访问另一台计算机，并通过端口号访问目标计算机中的某个应用程序。

1.2InetAddress
了解了IP地址的作用，我们看学习下JDK中提供了一个InetAdderss类，该类用于封装一个IP地址，并提供了一系列与IP地址相关的方法，下表中列出了InetAddress类的一些常用方法。
在这里插入图片描述
上图中，列举了InetAddress的四个常用方法。其中，前两个方法用于获得该类的实例对象，第一个方法用于获得表示指定主机的InetAddress对象，第二个方法用于获得表示本地的InetAddress对象。通过InetAddress对象便可获取指定主机名，IP地址等，接下来通过一个案例来演示InetAddress的常用方法，如下所示。

public class Example01 {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		InetAddress local = InetAddress.getLocalHost();
		InetAddress remote = InetAddress.getByName("www.itcast.cn");
		System.out.println("本机的IP地址：" + local.getHostAddress());
		System.out.println("itcast的IP地址：" + remote.getHostAddress());
		System.out.println("itcast的主机名为：" + remote.getHostName());
	}
}

第2章 UDP与TCP协议

- 2.1UDP协议

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。
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。
在这里插入图片描述

- 2.2TCP协议
TCP协议是面向连接的通信协议，即在传输数据前先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。
每次连接的创建都需要经过“三次握手”。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。
在这里插入图片描述
由于TCP协议的面向连接特性，它可以保证传输数据的安全性，所以是一个被广泛采用的协议，例如在下载文件时，如果数据接收不完整，将会导致文件数据丢失而不能被打开，因此，下载文件时必须采用TCP协议。

第3章 UDP通信

3.1DatagramPacket
UDP通信的过程就像是货运公司在两个码头间发送货物一样。在码头发送和接收货物时都需要使用集装箱来装载货物，UDP通信也是一样，发送和接收的数据也需要使用“集装箱”进行打包，为此JDK中提供了一个DatagramPacket类，该类的实例对象就相当于一个集装箱，用于封装UDP通信中发送或者接收的数据。
想要创建一个DatagramPacket对象，首先需要了解一下它的构造方法。在创建发送端和接收端的DatagramPacket对象时，使用的构造方法有所不同，接收端的构造方法只需要接收一个字节数组来存放接收到的数据，而发送端的构造方法不但要接收存放了发送数据的字节数组，还需要指定发送端IP地址和端口号。
在这里插入图片描述
使用该构造方法在创建DatagramPacket对象时，指定了封装数据的字节数组和数据的大小，没有指定IP地址和端口号。很明显，这样的对象只能用于接收端，不能用于发送端。因为发送端一定要明确指出数据的目的地(ip地址和端口号)，而接收端不需要明确知道数据的来源，只需要接收到数据即可。
在这里插入图片描述
接下来对DatagramPacket类中的常用方法进行详细地讲解，如下表所示。

- 3.2DatagramSocket
DatagramPacket数据包的作用就如同是“集装箱”，可以将发送端或者接收端的数据封装起来。然而运输货物只有“集装箱”是不够的，还需要有码头。在程序中需要实现通信只有DatagramPacket数据包也同样不行，为此JDK中提供的一个DatagramSocket类。DatagramSocket类的作用就类似于码头，使用这个类的实例对象就可以发送和接收DatagramPacket数据包，发送数据的过程如下图所示。
在创建发送端和接收端的DatagramSocket对象时，使用的构造方法也有所不同，下面对DatagramSocket类中常用的构造方法进行讲解。
在这里插入图片描述
该构造方法用于创建发送端的DatagramSocket对象，在创建DatagramSocket对象时，并没有指定端口号，此时，系统会分配一个没有被其它网络程序所使用的端口号。

接下来对DatagramSocket类中的常用方法进行详细地讲解。
在这里插入图片描述

3.3UDP网络程序
接下来通过一个案例来学习一下它们在程序中的具体用法。
下图为UDP发送端与接收端交互图解
在这里插入图片描述
要实现UDP通信需要创建一个发送端程序和一个接收端程序，很明显，在通信时只有接收端程序先运行，才能避免因发送端发送的数据无法接收，而造成数据丢失。因此，首先需要来完成接收端程序的编写。

UDP完成数据的发送

/*
* 发送端
 * 1,创建DatagramSocket对象
 * 2，创建DatagramPacket对象，并封装数据
 * 3，发送数据
 * 4，释放流资源
 */
public class UDPSend {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		//1,创建DatagramSocket对象
		DatagramSocket sendSocket = new DatagramSocket();
		//2，创建DatagramPacket对象，并封装数据
		//public DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address,  int port)
		//构造数据报包，用来将长度为 length 的包发送到指定主机上的指定端口号。
		byte[] buffer = "hello,UDP".getBytes();
		DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buffer, buffer.length, InetAddress.getByName("192.168.75.58"), 12306);
		//3，发送数据
		//public void send(DatagramPacket p) 从此套接字发送数据报包
		sendSocket.send(dp);
		//4，释放流资源
		sendSocket.close();
	}
}

/*
 - UDP接收端
 - 
 - 1,创建DatagramSocket对象
 - 2,创建DatagramPacket对象
 - 3,接收数据存储到DatagramPacket对象中
 - 4,获取DatagramPacket对象的内容
 - 5,释放流资源
 */
public class UDPReceive {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		//1,创建DatagramSocket对象,并指定端口号
		DatagramSocket receiveSocket = new DatagramSocket(12306);
		//2,创建DatagramPacket对象, 创建一个空的仓库
		byte[] buffer = new byte[1024];
		DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buffer, 1024);
		//3,接收数据存储到DatagramPacket对象中
		receiveSocket.receive(dp);
		//4,获取DatagramPacket对象的内容
		//谁发来的数据  getAddress()
		InetAddress ipAddress = dp.getAddress();
		String ip = ipAddress.getHostAddress();//获取到了IP地址
		//发来了什么数据  getData()
		byte[] data = dp.getData();
		//发来了多少数据 getLenth()
		int length = dp.getLength();
		//显示收到的数据
		String dataStr = new String(data,0,length);
		System.out.println("IP地址："+ip+ "数据是"+ dataStr);
		//5,释放流资源
		receiveSocket.close();
	}
}

第4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。

4.1ServerSocket
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。
接下来学习一下ServerSocket的常用方法，如表所示。
在这里插入图片描述
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。

4.2Socket
JDK提供了一个Socket类，用于实现TCP客户端程序。
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。
4.3 简单的TCP网络程序
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。

/*
 * TCP 服务器端
 * 
 * 1,创建服务器ServerSocket对象（指定服务器端口号）
 * 2，开启服务器了，等待客户端的连接，当客户端连接后，可以获取到连接服务器的客户端Socket对象
 * 3,给客户端反馈信息
 * 4,关闭流资源
 */
public class TCPServer {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		//1,创建服务器ServerSocket对象（指定服务器端口号）
		ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);
		//2，开启服务器了，等待客户端的连接，当客户端连接后，可以获取到连接服务器的客户端Socket对象
		Socket s = ss.accept();
		//3,给客户端反馈信息
		/*
		 * a,获取客户端的输出流
		 * b,在服务端端，通过客户端的输出流写数据给客户端
		 */
		//a,获取客户端的输出流
		OutputStream out = s.getOutputStream();
		//b,在服务端端，通过客户端的输出流写数据给客户端
		out.write("你已经连接上了服务器".getBytes());
		//4,关闭流资源
		out.close();
		s.close();
		//ss.close();  服务器流 通常都是不关闭的
	}
}

完成了服务器端程序的编写，接下来编写客户端程序。

/*
 * TCP 客户端
 * 
 * 1，创建客户端Socket对象,（指定要连接的服务器地址与端口号）
 * 2,获取服务器端的反馈回来的信息
 * 3,关闭流资源
 */
public class TCPClient {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		//1，创建客户端Socket对象,（指定要连接的服务器地址与端口号）
		Socket s = new Socket("192.168.74.58", 8888);
		//2,获取服务器端的反馈回来的信息
		InputStream in = s.getInputStream();
		//获取获取流中的数据
		byte[] buffer = new byte[1024];
		//把流中的数据存储到数组中，并记录读取字节的个数
		int length = in.read(buffer);
		//显示数据
		System.out.println( new String(buffer, 0 , length) );
		//3,关闭流资源
		in.close();
		s.close();
	}
}

4.4 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。

在这里插入图片描述

/*
 * 文件上传  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(8888);
		Socket clientSocket = serverSocket.accept();
		//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\192.168.74.58(1).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();
		//serverSocket.close();
	}
}

/*
 * 文件上传 客户端
 * 
 * public void shutdownOutput()  禁用此Socket的输出流,间接的相当于告知了服务器数据写入完毕
 */
public class TCPClient {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		//2,创建客户端Socket，连接服务器
		Socket socket = new Socket("192.168.74.58", 8888);
		//3,获取Socket流中的输出流，功能：用来把数据写到服务器
		OutputStream out = socket.getOutputStream();
		//4,创建字节输入流，功能：用来读取数据源(图片)的字节
		BufferedInputStream fileIn = new BufferedInputStream(new FileInputStream("D:\NoDir\test.jpg"));
		//5,把图片数据写到Socket的输出流中(把数据传给服务器)
		byte[] buffer = new byte[1024];
		int len = -1;
		while ((len = fileIn.read(buffer)) != -1){
			//把数据写到Socket的输出流中
			out.write(buffer, 0, len);
		}
		//6,客户端发送数据完毕，结束Socket输出流的写入操作，告知服务器端
		socket.shutdownOutput();

		//-----------------反馈信息---------------------
		//12,获取Socket的输入流  作用： 读反馈信息
		InputStream in = socket.getInputStream();
		//13,读反馈信息
		byte[] info = new byte[1024];
		//把反馈信息存储到info数组中，并记录字节个数
		int length = in.read(info);
		//显示反馈结果
		System.out.println( new String(info, 0, length) );
		
		//关闭流
		in.close();
		fileIn.close();
		out.close();
		socket.close();
	}
}

4.5 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。

/*
 * 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();
	}
}

第5章总结

- 5.1 知识点总结
IP地址：用来唯一表示我们自己的电脑的，是一个网络标示
端口号：用来区别当前电脑中的应用程序的
UDP: 传送速度快，但是容易丢数据，如视频聊天，语音聊天
TCP: 传送稳定，不会丢失数据，如文件的上传、下载
UDP：程序交互的流程

发送端

1,创建DatagramSocket对象
2，创建DatagramPacket对象，并封装数据
3，发送数据
4，释放流资源

接收端

1,创建DatagramSocket对象
2,创建DatagramPacket对象
3,接收数据存储到DatagramPacket对象中
4,获取DatagramPacket对象的内容
5,释放流资源

TCP程序交互的流程
客户端

1,创建客户端的Socket对象
2,获取Socket的输出流对象
3,写数据给服务器
4,获取Socket的输入流对象
5，使用输入流，读反馈信息
6,关闭流资源

服务器端

1，创建服务器端ServerSocket对象，指定服务器端端口号
2，开启服务器，等待着客户端Socket对象的连接，如有客户端连接，返回客户端的Socket对象
3,通过客户端的Socket对象，获取客户端的输入流，为了实现获取客户端发来的数据
4,通过客户端的输入流，获取流中的数据
5,通过客户端的Socket对象，获取客户端的输出流，为了实现给客户端反馈信息
6,通过客户端的输出流，写数据到流中
7,关闭流资源