一.網(wǎng)絡(luò)編程入門
(一)軟件結(jié)構(gòu)
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C/S結(jié)構(gòu) ：全稱為Client/Server結(jié)構(gòu)，是指客戶端和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。常見程序有ＱＱ、迅雷等軟件。
cs.jpg
B/S結(jié)構(gòu) ：全稱為Browser/Server結(jié)構(gòu)，是指瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。常見瀏覽器有谷歌、火狐等。
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兩種架構(gòu)各有優(yōu)勢，但是無論哪種架構(gòu)，都離不開網(wǎng)絡(luò)的支持。網(wǎng)絡(luò)編程，就是在一定的協(xié)議下，實現(xiàn)兩臺計算機的通信的程序。
(二)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議
- 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：通過計算機網(wǎng)絡(luò)可以使多臺計算機實現(xiàn)連接，位于同一個網(wǎng)絡(luò)中的計算機在進行連接和通信時需要遵守一定的規(guī)則，這就好比在道路中行駛的汽車一定要遵守交通規(guī)則一樣。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，這些連接和通信的規(guī)則被稱為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，它對數(shù)據(jù)的傳輸格式、傳輸速率、傳輸步驟等做了統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須同時遵守才能完成數(shù)據(jù)交換。
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TCP/IP協(xié)議： 傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議( Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，是Internet最基本、最廣泛的協(xié)議。它定義了計算機如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。它的內(nèi)部包含一系列的用于處理數(shù)據(jù)通信的協(xié)議，并采用了4層的分層模型，每一層都呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來完成自己的需求。
tcp_ip.jpg
上圖中，TCP/IP協(xié)議中的四層分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層，每層分別負責(zé)不同的通信功能。
- 數(shù)據(jù)鏈路層：鏈路層是用于定義物理傳輸通道，通常是對某些網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的驅(qū)動協(xié)議，例如針對光纖、網(wǎng)線提供的驅(qū)動。
- 網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層是整個TCP/IP協(xié)議的核心，它主要用于將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分組，將分組數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)計算機或者網(wǎng)絡(luò)。
- 運輸層：主要使網(wǎng)絡(luò)程序進行通信，在進行網(wǎng)絡(luò)通信時，可以采用TCP協(xié)議，也可以采用UDP協(xié)議。
- 應(yīng)用層：主要負責(zé)應(yīng)用程序的協(xié)議，例如HTTP協(xié)議、FTP協(xié)議等。
(三)協(xié)議分類
通信的協(xié)議還是比較復(fù)雜的，java.net 包中包含的類和接口，它們提供低層次的通信細節(jié)。我們可以直接使用這些類和接口，來專注于網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)，而不用考慮通信的細節(jié)。
java.net 包中提供了兩種常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持：
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UDP：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol)。UDP是無連接通信協(xié)議，即在數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)的發(fā)送端和接收端不建立邏輯連接。簡單來說，當(dāng)一臺計算機向另外一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端不會確認(rèn)接收端是否存在，就會發(fā)出數(shù)據(jù)，同樣接收端在收到數(shù)據(jù)時，也不會向發(fā)送端反饋是否收到數(shù)據(jù)。
由于使用UDP協(xié)議消耗資源小，通信效率高，所以通常都會用于音頻、視頻和普通數(shù)據(jù)的傳輸例如視頻會議都使用UDP協(xié)議，因為這種情況即使偶爾丟失一兩個數(shù)據(jù)包，也不會對接收結(jié)果產(chǎn)生太大影響。
但是在使用UDP協(xié)議傳送數(shù)據(jù)時，由于UDP的面向無連接性，不能保證數(shù)據(jù)的完整性，因此在傳輸重要數(shù)據(jù)時不建議使用UDP協(xié)議。UDP的交換過程如下圖所示。
image.png
特點：數(shù)據(jù)包被限制在64kb以內(nèi)，超出這個范圍就不能發(fā)送了。
數(shù)據(jù)包(Datagram):網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕締挝?/p>
- TCP：傳輸控制協(xié)議 (Transmission Control Protocol)。TCP協(xié)議是面向連接的通信協(xié)議，即傳輸數(shù)據(jù)之前，在發(fā)送端和接收端建立邏輯連接，然后再傳輸數(shù)據(jù)，它提供了兩臺計算機之間可靠無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。
特點：在TCP連接中必須要明確客戶端與服務(wù)器端，由客戶端向服務(wù)端發(fā)出連接請求，每次連接的創(chuàng)建都需要經(jīng)過“三次握手”。
- 三次握手：TCP協(xié)議中，在發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備階段，客戶端與服務(wù)器之間的三次交互，以保證連接的可靠。
- 第一次握手，客戶端向服務(wù)器端發(fā)出連接請求，等待服務(wù)器確認(rèn)。
- 第二次握手，服務(wù)器端向客戶端回送一個響應(yīng)，通知客戶端收到了連接請求。
- 第三次握手，客戶端再次向服務(wù)器端發(fā)送確認(rèn)信息，確認(rèn)連接。整個交互過程如下圖所示。
4_tcp.jpg
完成三次握手，連接建立后，客戶端和服務(wù)器就可以開始進行數(shù)據(jù)傳輸了。由于這種面向連接的特性，TCP協(xié)議可以保證傳輸數(shù)據(jù)的安全，所以應(yīng)用十分廣泛，例如下載文件、瀏覽網(wǎng)頁等。
(四)網(wǎng)絡(luò)編程三要素
1.協(xié)議
- 協(xié)議：計算機網(wǎng)絡(luò)通信必須遵守的規(guī)則。
2.IP地址
- IP地址：指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址（Internet Protocol Address），俗稱IP。IP地址用來給一個網(wǎng)絡(luò)中的計算機設(shè)備做唯一的編號。假如我們把“個人電腦”比作“一臺電話”的話，那么“IP地址”就相當(dāng)于“電話號碼”。
① IP地址分類
- IPv4：是一個32位的二進制數(shù)，通常被分為4個字節(jié)，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之間的十進制整數(shù)，那么最多可以表示42億個。 - IPv6：由于互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，IP地址的需求量愈來愈大，但是網(wǎng)絡(luò)地址資源有限，使得IP的分配越發(fā)緊張。
為了擴大地址空間，擬通過IPv6重新定義地址空間，采用128位地址長度，每16個字節(jié)一組，分成8組十六進制數(shù)，表示成ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789，號稱可以為全世界的每一粒沙子編上一個網(wǎng)址，這樣就解決了網(wǎng)絡(luò)地址資源數(shù)量不夠的問題。
② 常用命令
- 查看本機IP地址，在控制臺輸入：
ipconfig
- 檢查網(wǎng)絡(luò)是否連通，在控制臺輸入：
ping 空格 IP地址
ping 220.181.57.216
- 特殊的IP地址
本機IP地址：127.0.0.1、localhost
3.端口號
網(wǎng)絡(luò)的通信，本質(zhì)上是兩個進程（應(yīng)用程序）的通信。每臺計算機都有很多的進程，那么在網(wǎng)絡(luò)通信時，如何區(qū)分這些進程呢？
如果說IP地址可以唯一標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，那么端口號就可以唯一標(biāo)識設(shè)備中的進程（應(yīng)用程序）了。
- 端口號：用兩個字節(jié)表示的整數(shù)，它的取值范圍是0~65535。其中，0~1023之間的端口號用于一些知名的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用，普通的應(yīng)用程序需要使用1024以上的端口號。如果端口號被另外一個服務(wù)或應(yīng)用所占用，會導(dǎo)致當(dāng)前程序啟動失敗。
利用協(xié)議+IP地址+端口號 三元組合，就可以標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的進程了，那么進程間的通信就可以利用這個標(biāo)識與其它進程進行交互。
二.TCP通信程序
(一)概述
TCP通信能實現(xiàn)兩臺計算機之間的數(shù)據(jù)交互，通信的兩端，要嚴(yán)格區(qū)分為客戶端（Client）與服務(wù)端（Server）。
1.兩端通信時步驟：
① 服務(wù)端程序，需要事先啟動，等待客戶端的連接。
② 客戶端主動連接服務(wù)器端，連接成功才能通信。服務(wù)端不可以主動連接客戶端。
2.在Java中，提供了兩個類用于實現(xiàn)TCP通信程序：
- 客戶端：
java.net.Socket類表示。創(chuàng)建Socket對象，向服務(wù)端發(fā)出連接請求，服務(wù)端響應(yīng)請求，兩者建立連接開始通信。 - 服務(wù)端：
java.net.ServerSocket類表示。創(chuàng)建ServerSocket對象，相當(dāng)于開啟一個服務(wù)，并等待客戶端的連接。
(二)Socket類
Socket 類：該類實現(xiàn)客戶端套接字，套接字指的是兩臺設(shè)備之間通訊的端點。
1.構(gòu)造方法
-
public Socket(String host, int port)：創(chuàng)建套接字對象并將其連接到指定主機上的指定端口號。如果指定的host是null ，則相當(dāng)于指定地址為回送地址。
參數(shù)：String host：服務(wù)器主機的名稱/服務(wù)器的IP地址，int port：服務(wù)器的端口號
小貼士：回送地址(127.x.x.x) 是本機回送地址（Loopback Address），主要用于網(wǎng)絡(luò)軟件測試以及本地機進程間通信，無論什么程序，一旦使用回送地址發(fā)送數(shù)據(jù)，立即返回，不進行任何網(wǎng)絡(luò)傳輸。
構(gòu)造舉例，代碼如下：
Socket client = new Socket("127.0.0.1", 6666);
2.成員方法
-
public InputStream getInputStream()： 返回此套接字的輸入流。- 如果此Scoket具有相關(guān)聯(lián)的通道，則生成的InputStream 的所有操作也關(guān)聯(lián)該通道。
- 關(guān)閉生成的InputStream也將關(guān)閉相關(guān)的Socket。
-
public OutputStream getOutputStream()： 返回此套接字的輸出流。- 如果此Scoket具有相關(guān)聯(lián)的通道，則生成的OutputStream 的所有操作也關(guān)聯(lián)該通道。
- 關(guān)閉生成的OutputStream也將關(guān)閉相關(guān)的Socket。
-
public void close()：關(guān)閉此套接字。- 一旦一個socket被關(guān)閉，它不可再使用。
- 關(guān)閉此socket也將關(guān)閉相關(guān)的InputStream和OutputStream 。
-
public void shutdownOutput()： 禁用此套接字的輸出流。- 任何先前寫出的數(shù)據(jù)將被發(fā)送，隨后終止輸出流。
(三)ServerSocket類
ServerSocket類：這個類實現(xiàn)了服務(wù)器套接字，該對象等待通過網(wǎng)絡(luò)的請求。
1.構(gòu)造方法
-
public ServerSocket(int port)：使用該構(gòu)造方法在創(chuàng)建ServerSocket對象時，就可以將其綁定到一個指定的端口號上。
參數(shù)：port：服務(wù)器的端口號。
構(gòu)造舉例，代碼如下：
ServerSocket server = new ServerSocket(6666);
2.成員方法
-
public Socket accept()：偵聽并接受連接，返回一個新的Socket對象，用于和客戶端實現(xiàn)通信。該方法會一直阻塞直到建立連接。
(四)簡單的TCP網(wǎng)絡(luò)程序
- 【服務(wù)端】啟動,創(chuàng)建
ServerSocket對象，等待連接。 - 【客戶端】啟動,創(chuàng)建
Socket對象，請求連接。 - 【服務(wù)端】
ServerSocket對象，接收連接,調(diào)用accept方法，并返回一個Socket對象。 - 【客戶端】
Socket對象，獲取OutputStream，向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)。 - 【服務(wù)端】
Scoket對象，獲取InputStream，讀取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)。
至此，客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)成功。
簡單通信.jpg
- 【服務(wù)端】
Socket對象，獲取OutputStream，向客戶端回寫數(shù)據(jù)。 - 【客戶端】
Scoket對象，獲取InputStream，解析回寫數(shù)據(jù)。 - 【客戶端】釋放資源，斷開連接。
至此，服務(wù)端向客戶端回寫數(shù)據(jù)成功。
服務(wù)端代碼：
public class ServerTCP {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("服務(wù)端啟動，等待連接...");
try {
// 創(chuàng)建 ServerSocket對象，綁定端口，開始等待連接
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
// 接收連接 accept 方法, 返回socket對象.
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
/*
服務(wù)端接收數(shù)據(jù)
*/
// 通過socket獲取輸入流
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream(), "UTF-8");
int len;
while ((len = isr.read()) != -1) {
// 解析數(shù)組,打印字符串信息
System.out.print((char) len);
}
/*
服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)
*/
// 通過socket獲取輸出流
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(clientSocket.getOutputStream());
// 發(fā)送數(shù)據(jù)：你好，客戶端！
bos.write("你好，客戶端！".getBytes());
bos.flush();
clientSocket.shutdownOutput();
// 關(guān)閉資源.
isr.close();
bos.close();
clientSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
客戶端代碼：
public class ClientTCP {
public static void main(String[] args) {
try {
System.out.println("客戶端啟動，正在建立連接...");
/*
客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)
*/
// 創(chuàng)建Socket(ip , port), 確定連接到哪里.
Socket clientSocket = new Socket("127.0.0.1", 6666);
// 獲取流對象：輸出流
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(clientSocket.getOutputStream());
// 發(fā)送數(shù)據(jù)：你好，服務(wù)器！
bos.write("你好，服務(wù)器！".getBytes());
bos.flush();
clientSocket.shutdownOutput();
/*
客戶端接收數(shù)據(jù)
*/
// 獲取流對象：輸入流
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream(), "UTF-8");
int len;
while ((len = isr.read()) != -1) {
// 解析數(shù)組,打印字符串信息
System.out.print((char)len);
}
// 關(guān)閉資源.
bos.close();
isr.close();
clientSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
運行結(jié)果：
服務(wù)端：
image.png
客戶端：
image.png
(五)文件上傳案例
1.文件上傳分析圖解
- 【客戶端】輸入流，從硬盤讀取文件數(shù)據(jù)到程序中。
- 【客戶端】輸出流，寫出文件數(shù)據(jù)到服務(wù)端。
- 【服務(wù)端】輸入流，讀取文件數(shù)據(jù)到服務(wù)端程序。
- 【服務(wù)端】輸出流，寫出文件數(shù)據(jù)到服務(wù)器硬盤中。
- 【服務(wù)端】獲取輸出流，回寫數(shù)據(jù)。
- 【客戶端】獲取輸入流，解析回寫數(shù)據(jù)。
2.文件上傳優(yōu)化分析
① 文件名稱寫死的問題
服務(wù)端，保存文件的名稱如果寫死，那么最終導(dǎo)致服務(wù)器硬盤，只會保留一個文件，建議使用系統(tǒng)時間優(yōu)化，保證文件名稱唯一，代碼如下：
FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis()+".pdf") // 文件名稱
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);
② 循環(huán)接收的問題
服務(wù)端，指保存一個文件就關(guān)閉了，之后的用戶無法再上傳，這是不符合實際的，使用循環(huán)改進，可以不斷的接收不同用戶的文件，代碼如下：
// 每次接收新的連接,創(chuàng)建一個Socket
while（true）{
Socket accept = serverSocket.accept();
......
}
③ 效率問題
服務(wù)端，在接收大文件時，可能耗費幾秒鐘的時間，此時不能接收其他用戶上傳，所以，使用多線程技術(shù)優(yōu)化，代碼如下：
while（true）{
Socket accept = serverSocket.accept();
// accept 交給子線程處理.
new Thread(() -> {
......
InputStream bis = accept.getInputStream();
......
}).start();
}
3.代碼
服務(wù)端代碼：
public class FileUploadServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 創(chuàng)建服務(wù)端ServerSocket
System.out.println("服務(wù)端啟動，等待上傳文件...");
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
// 循環(huán)接收,建立連接
// serverSocket對象交給子線程處理,進行讀寫操作
while (true) {
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
new Thread(() -> {
try {
// 文件名上傳時間格式化
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy年MM月dd日HH時mm分ss秒");
// 文件名
String fileName = "java " + sdf.format(new Date(System.currentTimeMillis())) + ".pdf";
// 文件保存路徑
String path = "code1\\src\\cn\\cxy\\demo24\\test2\\server_path\\" + fileName;
// 獲取網(wǎng)絡(luò)輸入流對象，用來接收文件
BufferedInputStream bisWeb = new BufferedInputStream(clientSocket.getInputStream());
// 獲取網(wǎng)絡(luò)輸入流對象，用來回寫數(shù)據(jù)
OutputStreamWriter oswWeb = new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream(), "UTF-8");
// 創(chuàng)建本地輸出流對象，將文件保存到本地
BufferedOutputStream bosLocal = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(path));
/*
接收文件
*/
// 用來接收文件的緩存字節(jié)數(shù)組
byte[] receive = new byte[1024 * 8];
int len;
// 讀寫文件（網(wǎng)絡(luò)->本地）
while ((len = bisWeb.read(receive)) != -1) {
bosLocal.write(receive, 0, len);
}
System.out.println("線程：" + Thread.currentThread().getName() + "上傳文件成功--->"
+ "文件《" + fileName + "》已保存！" + "\n=======================");
/*
回寫數(shù)據(jù)
*/
oswWeb.write("服務(wù)器已接收上傳的文件！");
oswWeb.flush();
// 寫出數(shù)據(jù)完畢
clientSocket.shutdownOutput();
// 關(guān)閉資源
bisWeb.close();
bosLocal.close();
oswWeb.close();
clientSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
}
客戶端代碼：
public class FileUploadClient1 {
public static void main(String[] args) {
try {
System.out.println("客戶端啟動，準(zhǔn)備上傳文件...");
// 創(chuàng)建客戶端clientSocket
Socket clientSocket = new Socket("127.0.0.1", 6666);
// 獲取網(wǎng)絡(luò)輸出流對象，用來發(fā)送文件
BufferedOutputStream bosWeb = new BufferedOutputStream(clientSocket.getOutputStream());
// 獲取網(wǎng)絡(luò)輸入流對象，用來接收服務(wù)器回寫的數(shù)據(jù)
InputStreamReader isrWeb = new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream());
// 創(chuàng)建本地輸出流對象，將本地文件上傳
BufferedInputStream bisLocal = new BufferedInputStream(new FileInputStream("code1\\src\\cn\\cxy\\demo24\\test2\\client_path\\java.pdf"));
/*
發(fā)送文件
*/
// 用來發(fā)送文件的緩存字節(jié)數(shù)組
byte[] send = new byte[1024 * 8];
int len;
// 讀寫文件（本地->網(wǎng)絡(luò)）
while ((len = bisLocal.read(send)) != -1) {
bosWeb.write(send, 0, len);
}
System.out.println("文件上傳成功！");
bosWeb.flush();
// 寫出數(shù)據(jù)完畢
clientSocket.shutdownOutput();
/*
接收回寫的數(shù)據(jù)
*/
char[] back = new char[20];
// 使用指定編碼字符流讀取
while (isrWeb.read(back) != -1) {
System.out.print(back);
}
// 關(guān)閉資源
bisLocal.close();
bosWeb.close();
isrWeb.close();
clientSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
運行結(jié)果：
服務(wù)端：
image.png
客戶端：
image.png
三.模擬B\S服務(wù)器
瀏覽器工作原理是遇到圖片會開啟一個線程進行單獨的訪問,因此在服務(wù)器端加入線程技術(shù)。
服務(wù)端代碼：
public class WebServer {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建服務(wù)端ServerSocket
System.out.println("服務(wù)端啟動，等待瀏覽器訪問...");
try {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
// 使用線程池工廠類Executors里邊提供的靜態(tài)方法newFixedThreadPool()生產(chǎn)一個指定數(shù)量的線程池
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
while (true) {
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
//自己創(chuàng)建線程對象的方式
service.submit(new Web(clientSocket));
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
static class Web implements Runnable {
private Socket socket;
public Web(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try {
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
String request = br.readLine();
// 取出請求資源的路徑
String[] strArr = request.split(" ");
// 以空格作為分隔符取出位置1上的元素為要訪問的地址
String path = "code1/src/cn/cxy/demo24/text3" + strArr[1];
FileInputStream fis = new FileInputStream(path);
byte[] bytes = new byte[1024];
int len;
// 向瀏覽器 回寫數(shù)據(jù)
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);
}
// 關(guān)閉資源
br.close();
fis.close();
out.close();
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
運行結(jié)果：
image.png
