⛳ Java 网络编程

⛳ Java 网络编程

一、TCP / IP 协议

​ TCP/IP协议是Internet互联网最基本的协议，其在一定程度上参考了七层ISO模型。 OSI模型共有七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。但是这显然是有些复杂的，所以在TCP/IP协议中，七层被简化为了四个层次。TCP/IP模型中的各种协议，依其功能不同，被分别归属到这四层之中，常被视为是简化过后的七层OSI模型。 TCP/IP协议与七层ISO模型的对应关系，大致如下图所示：

• 传输层协议中有两个非常重要的协议：

• • 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)
  • 用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)。

• TCP/IP 以其两个主要协议：传输控制协议(TCP)和网络互联协议(IP)而得名，实际上是一组协议，包括多个具有不同功能且互为关联的协议。

• IP(Internet Protocol)协议是网络层的主要协议，支持网间互连的数据通信。

• TCP/IP协议模型从更实用的角度出发，形成了高效的四层体系结构，即物理链路层、 IP层、传输层和应用层。

• TCP协议报文格式

  

• TCP 和 UDP：类比打电话

• • 使用TCP协议前，须先建立TCP连接，形成传输数据通道
  • 传输前，采用“三次握手” 方式，点对点通信， 是可靠的
  • TCP协议进行通信的两个应用进程：客户端、 服务端。
  • 在连接中可进行大数据量的传输
  • 传输完毕，需释放已建立的连接， 效率低

• UDP协议：类比发短信

• • 将数据、源、目的封装成数据包， 不需要建立连接
  • 每个数据报的大小限制在64K内
  • 发送不管对方是否准备好，接收方收到也不确认， 故是不可靠的
  • 可以广播发送
  • 发送数据结束时无需释放资源，开销小，速度快

二、IP 和 端口号

1. IP 地址：InetAddress

• 唯一的标识 Internet 上的计算机（通信实体）

• 本地回环地址(hostAddress)： 127.0.0.1 主机名(hostName)： localhost

• IP地址分类方式1： IPV4 和 IPV6

• • IPV4： 4个字节组成， 4个0-255。大概42亿， 30亿都在北美，亚洲4亿。 2011年初已经用尽。 以点分十进制表示，如192.168.0.1
  • IPV6： 128位（16个字节） ， 写成8个无符号整数，每个整数用四个十六进制位表示，数之间用冒号（：）分开，如： 3ffe:3201:1401:1280:c8ff:fe4d:db39:1984

• IP地址分类方式2： 公网地址(万维网使用)和私有地址(局域网使用)。 192.168.开头的就是私有址址，范围即为192.168.0.0–192.168.255.255，专门为组织机构内部使用

• Internet上的主机有两种方式表示地址：

• • 域名(hostName)： www.baidu.com
  • IP 地址(hostAddress)： 202.108.35.210

• InetAddress类主要表示IP地址， 两个子类： Inet4Address、 Inet6Address。

• InetAddress 类 对 象 含 有 一 个 Internet 主 机 地 址 的 域 名 和 IP 地 址 ：www.baidu.com 和 202.108.35.210。

• 域名容易记忆，当在连接网络时输入一个主机的域名后， 域名服务器(DNS)负责将域名转化成IP地址，这样才能和主机建立连接。 -------域名解析

• 域名解析的过程：先找本机hostsC:\Windows\System32\drivers\etc\hosts，是否有输入的域名地址，没有的话，再通过DNS服务器，找主机。

• 

• InetAddress类没有提供公共的构造器，而是提供了如下几个静态方法来获取InetAddress实例

• • public static InetAddress getLocalHost()
  • public static InetAddress getByName(String host)

• InetAddress提供了如下几个常用的方法

• • public String getHostAddress()： 返回 IP 地址字符串（以文本表现形式） 。
  • public String getHostName()： 获取此 IP 地址的主机名
  • public boolean isReachable(int timeout)： 测试是否可以达到该地址

1. 端口号标识正在计算机上运行的进程（程序）

• 不同的进程有不同的端口号

• 被规定为一个 16 位的整数 0~65535。

• 端口分类：

• • 公认端口： 0~1023。被预先定义的服务通信占用（如： HTTP占用端口80， FTP占用端口21， Telnet占用端口23）
  • 注册端口： 1024~49151。分配给用户进程或应用程序。（如： Tomcat占用端口8080， MySQL占用端口3306， Oracle占用端口1521等） 。
  • 动态/私有端口： 49152~65535。

• 端口号与IP地址的组合得出一个网络套接字： Socket。

案例：

public class InetAddressTest {
 
     public static void main(String[] args) {
 
         try {
             //File file = new File("hello.txt");
             InetAddress inet1 = InetAddress.getByName("192.168.10.14");
 
             System.out.println(inet1);
 
             InetAddress inet2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
             System.out.println(inet2);
 
             InetAddress inet3 = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
             System.out.println(inet3);
 
             //获取本地ip
             InetAddress inet4 = InetAddress.getLocalHost();
             System.out.println(inet4);
 
             //getHostName()
             System.out.println(inet2.getHostName());
             //getHostAddress()
             System.out.println(inet2.getHostAddress());
 
         } catch (UnknownHostException e) {
             e.printStackTrace();
         }
     }
 }

三、TCP 网络层编程

3.1、Socket

• 利用套接字(Socket)开发网络应用程序早已被广泛的采用，以至于成为事实上的标准。

• 网络上具有唯一标识的IP地址和端口号组合在一起才能构成唯一能识别的标识符套接字。

• 通信的两端都要有Socket，是两台机器间通信的端点。

• 网络通信其实就是Socket间的通信。

• Socket允许程序把网络连接当成一个流， 数据在两个Socket间通过IO传输。

• 一般主动发起通信的应用程序属客户端，等待通信请求的为服务端。

• Socket分类：

• • 流套接字（stream socket）：使用TCP提供可依赖的字节流服务
  • 数据报套接字（datagram socket）：使用UDP提供“尽力而为”的数据报服务

• Socket类的常用构造器：

• • public Socket(InetAddress address,int port)创建一个流套接字并将其连接到指定 IP 地址的指定端口号。
  • public 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。

• Socket类的常用方法：

• • public InputStream getInputStream()返回此套接字的输入流。 可以用于接收网络消息
  • public OutputStream getOutputStream()返回此套接字的输出流。 可以用于发送网络消息
  • public InetAddress getInetAddress()此套接字连接到的远程 IP 地址；如果套接字是未连接的， 则返回 null。
  • public InetAddress getLocalAddress()获取套接字绑定的本地地址。 即本端的IP地址
  • public int getPort()此套接字连接到的远程端口号；如果尚未连接套接字， 则返回 0。
  • public int getLocalPort()返回此套接字绑定到的本地端口。 如果尚未绑定套接字， 则返回 -1。 即本端的端口号。
  • public void close()关闭此套接字。 套接字被关闭后， 便不可在以后的网络连接中使用（即无法重新连接或重新绑定） 。 需要创建新的套接字对象。 关闭此套接字也将会关闭该套接字的 InputStream 和 OutputStream。
  • public void shutdownInput()如果在套接字上调用 shutdownInput() 后从套接字输入流读取内容， 则流将返回 EOF（文件结束符） 。 即不能在从此套接字的输入流中接收任何数据。
  • public 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。 如果在套接字上调用 shutdownOutput() 后写入套接字输出流，则该流将抛出 IOException。 即不能通过此套接字的输出流发送任何数据。

⭐ 3.2、基于Socket的TCP编程

Java语言的基于套接字编程分为服务端编程和客户端编程，其通信模型如图所示：

• 客户端Socket的工作过程包含以下四个基本的步骤：

• • 创建 Socket： 根据指定服务端的 IP 地址或端口号构造 Socket 类对象。若服务器端响应，则建立客户端到服务器的通信线路。若连接失败，会出现异常。
  • 打开连接到 Socket 的输入/出流： 使用 getInputStream()方法获得输入流，使用getOutputStream()方法获得输出流，进行数据传输
  • 按照一定的协议对 Socket 进行读/写操作： 通过输入流读取服务器放入线路的信息（但不能读取自己放入线路的信息），通过输出流将信息写入线程。
  • 关闭 Socket： 断开客户端到服务器的连接，释放线路

• 客户端程序可以使用Socket类创建对象， 创建的同时会自动向服务器方发起连接。 Socket的构造器是：

• • Socket(String host,int port)throws UnknownHostException,IOException： 向服务器(域名是host。端口号为port)发起TCP连接，若成功，则创建Socket对象，否则抛出异常。
  • Socket(InetAddress address,int port)throws IOException： 根据InetAddress对象所表示的IP地址以及端口号port发起连接。

• 服务器程序的工作过程包含以下四个基本的步骤：

• • 调用 ServerSocket(int port) ： 创建一个服务器端套接字，并绑定到指定端口上。用于监听客户端的请求。
  • 调用 accept()： 监听连接请求，如果客户端请求连接，则接受连接，返回通信套接字对象。
  • 调用 该Socket类对象的 getOutputStream() 和 getInputStream ()： 获取输出流和输入流，开始网络数据的发送和接收。
  • 关闭ServerSocket和Socket对象： 客户端访问结束，关闭通信套接字。

• ServerSocket 对象负责等待客户端请求建立套接字连接，类似邮局某个窗口中的业务员。也就是说， 服务器必须事先建立一个等待客户请求建立套接字连接的ServerSocket对象。

• 所谓“接收”客户的套接字请求，就是accept()方法会返回一个 Socket 对象

服务器端：

public class ServerDemo {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("服务器启动");
        ServerSocket serverSocket = null;
        Socket socket = null;
        InputStream in = null;
        ByteArrayOutputStream out = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(8999);
            socket = serverSocket.accept();//io阻塞状态，等待客户端传输socket
            in = socket.getInputStream();

            out = new ByteArrayOutputStream();

            //得到客户端输入
            int length = -1;
            byte[] buffer = new byte[5];
            while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
                out.write(buffer, 0, length);
            }
            System.out.println(socket.getInetAddress() + "\t" + out.toString());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                in.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            try {
                serverSocket.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            try {
                out.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }

    }

}

客户端：

public class ClientDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Socket socket = null;
        OutputStream out = null;
        try {
            InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
            socket = new Socket(address, 8999);
            out = socket.getOutputStream();
            out.write("hello socket".getBytes());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                out.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }

}

QQ聊天案例：

客户端：

package org.example.c_qq;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

public class QQChatClient {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 连接到服务器
            Socket socket = new Socket("10.11.5.249", 8888);
            System.out.println("成功连接到服务器。");

            // 创建输入流和输出流
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);

            // 发送消息线程
            Thread sendThread = new Thread(() -> {
                try {
                    BufferedReader userInput = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
                    while (true) {
                        String message = userInput.readLine();
                        out.println(message);
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            sendThread.start();

            // 接收消息线程
            Thread receiveThread = new Thread(() -> {
                try {
                    while (true) {
                        String receivedMessage = in.readLine();
                        System.out.println("收到消息: " + receivedMessage);
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            receiveThread.start();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

服务器端：

package org.example.c_qq;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Scanner;

public class QQChatServer {
    // 存储连接到服务器的客户端Socket
    private static List<Socket> clients = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建服务器Socket并绑定端口
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
            System.out.println("服务器已启动，等待客户端连接...");

            while (true) {
                // 接受客户端连接请求
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                clients.add(clientSocket);
                System.out.println("客户端已连接，当前连接数: " + clients.size());

                // 创建处理客户端消息的线程
                Thread clientThread = new Thread(() -> {
                    try {
                        // 创建输入流和输出流
                        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                        PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);

                        String message;
                        while ((message = in.readLine()) != null) {
                            System.out.println("收到消息: " + message);

                            // 向所有客户端广播消息
                            Scanner sc = new Scanner(System.in);
                            broadcast(sc.next());
                        }

                        // 客户端断开连接后移除客户端Socket
                        clients.remove(clientSocket);
                        System.out.println("客户端已断开连接，当前连接数: " + clients.size());
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                });
                clientThread.start();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 向所有客户端广播消息
    private static void broadcast(String message) {
        for (Socket client : clients) {
            try {
                PrintWriter out = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true);
                out.println(message);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

四、UDP网络编程

• TCP网络模型类似打电话，UDP模型类似于发短信

• TCP编程-服务端

• • ServerSocket（端口号）：监听客户端输入
  • socket = ServerSocket.accept：接收客户端socket
  • socket.getInputSteam()，socket.getOutputSteam()的IO操作进行网络通讯

• TCP编程的客户端

• • Socket(InetAdress（ip地址），端口号)
  • socket.getInputSteam()，socket.getOutputSteam()的IO操作进行网络通讯

• 类 DatagramSocket 和 DatagramPacket 实现了基于 UDP 协议网络程序。

• UDP数据报通过数据报套接字 DatagramSocket 发送和接收， 系统不保证UDP数据报一定能够安全送到目的地，也不能确定什么时候可以抵达。

• DatagramPacket 对象封装了UDP数据报，在数据报中包含了发送端的IP地址和端口号以及接收端的IP地址和端口号。

• UDP协议中每个数据报都给出了完整的地址信息，因此无须建立发送方和接收方的连接。 如同发快递包裹一样。

• DatagramSocket 类的常用方法

• • public DatagramSocket(int port) 创建数据报套接字并将其绑定到本地主机上的指定端口。 套接字将被绑定到通配符地址， IP 地址由内核来选择。
  • public DatagramSocket(int port,InetAddress laddr) 创建数据报套接字， 将其绑定到指定的本地地址。本地端口必须在 0 到 65535 之间（包括两者） 。 如果 IP 地址为 0.0.0.0， 套接字将被绑定到通配符地址， IP 地址由内核选择。
  • public void close() 关闭此数据报套接字。
  • public void send(DatagramPacket p) 从此套接字发送数据报包。 DatagramPacket 包含的信息指示：将要发送的数据、 其长度、 远程主机的 IP 地址和远程主机的端口号。
  • public void receive(DatagramPacket p) 从此套接字接收数据报包。 当此方法返回时， DatagramPacket的缓冲区填充了接收的数据。 数据报包也包含发送方的 IP 地址和发送方机器上的端口号。 此方法在接收到数据报前一直阻塞。 数据报包对象的 length 字段包含所接收信息的长度。 如果信息比包的长度长， 该信息将被截短。
  • public InetAddress getLocalAddress() 获取套接字绑定的本地地址。
  • public int getLocalPort() 返回此套接字绑定的本地主机上的端口号。
  • public InetAddress getInetAddress() 返回此套接字连接的地址。 如果套接字未连接， 则返回 null。
  • public int getPort() 返回此套接字的端口。 如果套接字未连接， 则返回 -1。

• DatagramPacket类的常用方法

• • public DatagramPacket(byte[] buf,int length) 构造 DatagramPacket， 用来接收长度为 length 的数据包。 length 参数必须小于等于 buf.length。
  • 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。 length参数必须小于等于 buf.length。
  • public InetAddress getAddress() 返回某台机器的 IP 地址， 此数据报将要发往该机器或者是从该机器接收到的。
  • public int getPort() 返回某台远程主机的端口号， 此数据报将要发往该主机或者是从该主机接收到的。
  • public byte[] getData() 返回数据缓冲区。 接收到的或将要发送的数据从缓冲区中的偏移量 offset 处开始， 持续 length 长度。
  • public int getLength() 返回将要发送或接收到的数据的长度。

• UDP网络通讯流程：

• • DatagramSocket与DatagramPacket
  • 建立发送端，接收端
  • 建立数据包
  • 调用Socket的发送、 接收方法
  • 关闭Socket

public class UDPServerDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(10086);

        while (true) {
            //创建接收数据包
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(new byte[1024], 1024);
            socket.receive(packet); //IO阻塞

            System.out.println(packet.getAddress() + " " + packet.getPort() + " " + new String(packet.getData(),0, packet.getLength()));
        }
    }

}

public class UDPClientDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        String line = null;
        while ((line = sc.nextLine()) != null) {
            if ("88".equals(line)) {
                break;
            }
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(line.getBytes(), line.getBytes().length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 10086);
            socket.send(packet);
        }
        socket.close();
    }

}

五、URL编程

1. URL

• URL(Uniform Resource Locator)：统一资源定位符，它表示 Internet 上某一资源的地址。

• 它是一种具体的URI，即URL可以用来标识一个资源，而且还指明了如何locate这个资源。

• 通过 URL 我们可以访问 Internet 上的各种网络资源，比如最常见的 www， ftp站点。浏览器通过解析给定的 URL 可以在网络上查找相应的文件或其他资源。

• URL的基本结构由5部分组成：<传输协议>://<主机名>:<端口号>/<文件名>#片段名?参数列表

• • 例如: http://192.168.1.100:8080/helloworld/index.jsp#a?username=shkstart&password=123

• 为了表示URL， java.net 中实现了类 URL。我们可以通过下面的构造器来初始化一个 URL 对象：

• • **public URL (String spec)：**通过一个表示URL地址的字符串可以构造一个URL对象。例如： URL url = new URL (“http://www. baidu.com/”);
  • **public URL(URL context, String spec)：**通过基 URL 和相对 URL 构造一个 URL 对象。例如： URL downloadUrl = new URL(url, “download.html")
  • public URL(String protocol, String host, String file); 例如： new URL(“http”,“www.baidu.com”, “download. html");
  • public URL(String protocol, String host, int port, String file); 例如: URL gamelan = new URL(“http”, “www.baidu.com”, 80, “download.html");

• 一个URL对象生成后，其属性是不能被改变的，但可以通过它给定的方法来获取这些属性：

• • public String getProtocol( ) 获取该URL的协议名
  • public String getHost( ) 获取该URL的主机名
  • public String getPort( ) 获取该URL的端口号
  • public String getPath( ) 获取该URL的文件路径
  • public String getFile( ) 获取该URL的文件名
  • public String getQuery( ) 获取该URL的查询名

1. URLConnection类

• URLConnection：表示到URL所引用的远程对象的连接。当与一个URL建立连接时，首先要在一个 URL 对象上通过方法 openConnection() 生成对应的 URLConnection对象。如果连接过程失败，将产生IOException.

• • URL netchinaren = new URL (“http://www.baidu.com/index.shtml”);
  • URLConnectonn u = netchinaren.openConnection( );

• 通过URLConnection对象获取的输入流和输出流，即可以与现有的CGI程序进行交互。

• • public Object getContent( ) throws IOException
  • public int getContentLength( )
  • public String getContentType( )
  • public long getDate( )
  • public long getLastModified( )
  • public InputStream getInputStream( )throws IOException
  • public OutputSteram getOutputStream( )throws IOException

1. URI、 URL和URN的区别

• URI，是uniform resource identifier，统一资源标识符， 用来唯一的标识一个资源。
• URL是uniform resource locator，统一资源定位符，它是一种具体的URI，即URL可以用来标识一个资源，而且还指明了如何locate这个资源。
• URN， uniform resource name，统一资源命名，是通过名字来标识资源，比如mailto:[email protected]。也就是说， URI是以一种抽象的，高层次概念定义统一资源标识，而URL和URN则是具体的资源标识的方式。 URL和URN都是一种URI。
• 在Java的URI中，一个URI实例可以代表绝对的，也可以是相对的，只要它符合URI的语法规则。而URL类则不仅符合语义，还包含了定位该资源的信息，因此它不能是相对的。

案例

1. 下载安装tomcat
2. *拷贝一个图片d:\tmp\apache-tomcat-8.5.92\webapps\ROOT*
3. 启动tomcat

cd d:\tmp\apache-tomcat-8.5.92\bin\
startup

1. 浏览器访问http://localhost:8080/target.jpg，得到图片
2. 代码发送http请求，得到响应
3. http协议， 请求和响应

public class HttpDemo {

    /**
     * java的HTTP框架
     *   - http-client apache
     *   - ok-http
     *   - HttpURLConnection：官方
     * @param args
     * @throws Exception
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        URL url = new URL("http://localhost:8080/target.jpg");
        HttpURLConnection connection = (HttpURLConnection) url.openConnection(); //打开链接
        connection.connect(); //发送请求

        BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(connection.getInputStream());
        BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("target.jpg"));

        int length = -1;
        byte[] buffer = new byte[1024];
        while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
            out.write(buffer, 0, length);
        }
        out.flush();
        in.close();
        out.close();
        connection.disconnect();

    }

}