从前慢现在也慢

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Java学习-网络编程(TCP(socket)、UDP)_java与tcp网络协议开发

作者：从前慢现在也慢 | 2024-06-11 18:29:57

踩

java与tcp网络协议开发

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。

1.2 网络通讯协议

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。
  - 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

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。

TCP协议四次握手断开连接，目的确保双方数据的收发都已经完成！
在这里插入图片描述

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

查看本地地址

ipconfig (window电脑)

检查网络是否连通，在控制台上输入：

ping 空格 IP地址 (windows)
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。

InetAdress

代表IP地址
常用方法如下：

2.UDP的通讯程序

在Java中UDP的实现类是DatagramSocket
DatagramSocket:此类表示用于发送和接收数据报数据包的套接字。以允许广播数据报的传输。为了接收广播数据包，DatagramSocket应该绑定到通配符地址

在这里插入图片描述

UDP的发送端

/*
    UDP协议发送数据：
    1.创建发送端的socket对象
    2.创建数据，把并把数据打包
    3.调用Socket对象的发送方法来发送数据
    4.释放资源（因为Socket传输数据是采用IO流来操作数据的）

    DatagramSocket:此类表示用于发送和接收数据报数据包的套接字。
    以允许广播数据报的传输。 为了接收广播数据包，DatagramSocket应该绑定到通配符地址
 */
public class UDPSendmessage {

    public static void main(String[] args) {

        String message = "hello java, UDP 我来了";
        udpSendMessage(message.getBytes());

    }
    /*
        UDP:发送数据
     */
    public static void udpSendMessage(byte[] bytes){
        //创建数据
        DatagramSocket datagramSocket = null;
        try {
            datagramSocket = new DatagramSocket();
            //send(DatagramPacket p) 该类表示数据报包。
            InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("192.168.31.31");
            DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes,bytes.length,inetAddress,10086);
            datagramSocket.send(datagramPacket);
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (UnknownHostException e){
            //抛出不认识主机异常
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (datagramSocket != null) {
                datagramSocket.close();
            }
        }
    }
}

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UDP的接收端

/*
    UDP协议发送数据：
    1.创建发送端的socket对象
    2.创建一个数据包（接收容器）
    3.调用Socket对象的接收方法接收数据
    4.解析数据，展示在控制台
    4.释放资源（因为Socket传输数据是采用IO流来操作数据的）
 */
public class UDPReceiveMessage {
    public static void main(String[] args) {

        //接收数据
        receiveMessage();
    }

    public static void receiveMessage() {
        DatagramSocket datagramSocket = null;
        try {
            datagramSocket = new DatagramSocket(10086);
            //创建一个数据包格式
            byte[] bytes = new byte[1024];
            DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes,bytes.length);

            //接收数据
            //该方法阻塞，直到接收到数据报。 数据报包对象的length字段包含接收到的消息的长度。
            // 如果消息长于数据包的长度，消息将被截断。
            datagramSocket.receive(datagramPacket);

            InetAddress inetAddress = datagramPacket.getAddress();
            String ip = inetAddress.getHostAddress();//返回IP地址
            //获取真实的数据
            byte[] datas = datagramPacket.getData();
            int datalength = datagramPacket.getLength();
            String dataString = new String(datas,0,datalength);
            System.out.println(ip + "------" + dataString);
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //关闭套接字，释放资源 这里其实不需要关闭，因为接收端是一直接收数据，不需要关闭
            if (datagramSocket != null){
                //datagramSocket.close();
            }
        }

    }
}

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3.TCP的通信程序

3.1 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。

3.2 具体实现类

3.2.1Socket

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。
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。
- Socket client = new Socket("127.0.0.1", 6666);
- 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。

3.2.1 ServerSocket

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。
- 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。
  - ServerSocket server = new ServerSocket(6666);
- 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。

4. 文件上传的例子

4.1客户端向服务端发送数据

客户端实现：

/*
    文件上传客户端
    数据源：/Users/guoweiyong/Desktop/danei.jepg
    目的地： 服务器的硬盘（这里假设在桌面upload文件）

    1.首先创建本地IO流读取文件
    2.获取网络IO 输出流 把数据上传到服务器

 */
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) {

        FileInputStream fileInputStream = null;
        Socket socket = null;
        try {
            fileInputStream = new FileInputStream("/Users/guoweiyong/Desktop/danei.jpeg");
            socket = new Socket("192.168.31.31",12306);
            OutputStream os = socket.getOutputStream();

            //首先使用本地数日刘来读取文件
            byte[] bytes = new byte[1024];
            int dataLength = 0;
            //重点:
            // read() 方法 读取不到内容会阻塞 直到数据输入
            //循环读取数据在这里有点问题  ，卡死在循环，循环下面的代码却不执行了
            //原因read（）方法读取本地文件，结束标记读取到-1 结束，但是while循环会读取到-1吗?
            // 不会，所以也不会把结束标记写给服务端
            while ((dataLength = fileInputStream.read(bytes)) != -1) {
                //在使用网络输出流来把读取到的数据写入到服务器
                os.write(bytes);
            }
            /*
                解决方法： shutdownOutput() 禁用此套接字的输出流。 对于TCP套接字，任何先前写入的数据将被发送，
                随后是TCP的正常连接终止序列。 如果在套接字上调用shutdownOutput（）之后写入套接字输出流，则流将抛出IOException。
                当我们写完数据之后，我们需要告诉服务器，数据洗完了 然后禁用输出流
             */
            socket.shutdownOutput();

            //读取服务器传递回来的消息
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            while ((dataLength = inputStream.read(bytes)) != -1) {
                System.out.println(new String(bytes,0,dataLength));
            }

        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (socket != null) {
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            if (fileInputStream != null) {
                try {
                    fileInputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

    }
}

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3.3.3服务端向客户端会写数据

服务端实现：

/*
    文件上传客户端
    数据源：/Users/guoweiyong/Desktop/danei.jepg
    目的地： 服务器的硬盘（这里假设在桌面upload文件）

    1.首先创建本地IO流读取文件
    2.获取网络IO 输出流 把数据上传到服务器

 */
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) {

        FileInputStream fileInputStream = null;
        Socket socket = null;
        try {
            fileInputStream = new FileInputStream("/Users/guoweiyong/Desktop/danei.jpeg");
            socket = new Socket("192.168.31.31",12306);
            OutputStream os = socket.getOutputStream();

            //首先使用本地数日刘来读取文件
            byte[] bytes = new byte[1024];
            int dataLength = 0;
            //重点:
            // read() 方法 读取不到内容会阻塞 直到数据输入
            //循环读取数据在这里有点问题  ，卡死在循环，循环下面的代码却不执行了
            //原因read（）方法读取本地文件，结束标记读取到-1 结束，但是while循环会读取到-1吗?
            // 不会，所以也不会把结束标记写给服务端
            while ((dataLength = fileInputStream.read(bytes)) != -1) {
                //在使用网络输出流来把读取到的数据写入到服务器
                os.write(bytes);
            }
            /*
                解决方法： shutdownOutput() 禁用此套接字的输出流。 对于TCP套接字，任何先前写入的数据将被发送，
                随后是TCP的正常连接终止序列。 如果在套接字上调用shutdownOutput（）之后写入套接字输出流，则流将抛出IOException。
                当我们写完数据之后，我们需要告诉服务器，数据洗完了 然后禁用输出流
             */
            socket.shutdownOutput();

            //读取服务器传递回来的消息
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            while ((dataLength = inputStream.read(bytes)) != -1) {
                System.out.println(new String(bytes,0,dataLength));
            }

        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (socket != null) {
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            if (fileInputStream != null) {
                try {
                    fileInputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

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5.模拟B/S服务器

5.1分析、准备

1. 准备页面数据，web文件夹。
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();
}
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2 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);
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5.2案例的具体实现：

服务端实现：

package com.gy.TCP.BSTcp;

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

public class BSTCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = null;
        //创建一个输入流对象，来保存socket中的输入流对象
        Socket socket = null;
        FileInputStream fileInputStream = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(8080);
            //首先我们需要回去socket中的输入流来读取数据
            //accept(): 阻塞式方法，等待客户端链接
            socket = serverSocket.accept();
            //获取输入流，来读取数据
            //首先要获取heml的地址 127.0.0.1----GET /Network-code/web/index.xml HTTP/1.1
            //需要读取第一行，我么需要使用字符流来包装一下
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String line = bufferedReader.readLine(); //结果：127.0.0.1----GET /Network-code/web/index.xml HTTP/1.1
            //根据空格来分割字符串，在截取路径
            String htmlPath = (line.split(" ")[1]).substring(1);//Network-code/web/index.xml
            System.out.println("htmlPath========" + htmlPath);
            //然后在获取本地字节流来读取xml文件，在获取套接字输出流 把xml页面写给客户端
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();

            fileInputStream = new FileInputStream(htmlPath);
            byte[] bytes = new byte[1024];
            int datalength = 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
            outputStream.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
            outputStream.write("Content‐Type:text/html\r\n".getBytes()); // 必须要写入空行,否则浏览器不解析
            outputStream.write("\r\n".getBytes());

            while ((datalength = fileInputStream.read(bytes)) != -1) {
                //在套接字输出流把数据传递给客户端
                outputStream.write(bytes,0,datalength);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //因为服务器是接收数据的一方，所以其实不需要关闭
            //serverSocket.close();
            //但是我们需要关闭 当前和客户端数据交互的IO流
            if (fileInputStream != null) {
                try {
                    fileInputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (socket != null) {
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            if (serverSocket != null) {
                try {
                    serverSocket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

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备注：讲课视屏中老师，用的是window环境，可以显示出来网页，但是我在Mac环境下，浏览器显示是一整个html的代码页面，无法显示页面。不知道原因，比对代码也没有发现什么问题.（后续研究，会再次修改）

5.3 老师案例的代码

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){
               }
} }
}

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