网络编程基础及代码实现

一、网络编程概述

1.计算机网络的相关概念

什么是计算机网络？
指分布在不同地域的计算机，通过外部设备连接起来，实现了资源共享（数据和设备的共享），实现数据传输的计算机系统。外部设备有：计算机、路由器、交换机等等。

什么是网络编程？
网络编程关注的是数据的传输，在Java中又称为Socket编程。主要处理计算机与计算机之间的数据通信问题。

计算机网络的三要素：
IP地址：（家庭住址）是指互联网协议地址（Internet Protocol Address），是IP Address的缩写。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址。

端口号：（门牌号）计算机中有很多软件与外界网络进行通信，每个通信的软件都会分配一个操作的端口号，用来区分不同的软件。

协议：（快递的方式和格式）是网络上所有设备（网络服务器、计算机、交换机、路由器、防火墙等）之间通信规则的集合，它规定了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义，以及数据的传输方式等规定。

资源的查找方式：
通过IP地址找计算机，通过端口号找软件，通过协议来约定数据传输的格式

2.IP地址

查看IP地址的DOS命令：ipconfig

检测网路是否连通的DOS命令：ping 对方的IP地址
ping不通的结果：

ping通的结果：

IPV4的格式：
Internet上的每台主机(Host)都有一个唯一的IP地址。IP地址的长度为32位二进制，分为4段，每段8位。使用十进制数字表示，则每段数字范围为0～255，段与段之间用句点隔开。例如159.226.1.1。（四个字节）
1) 格式：网络号+主机号
2) 分类：
A类：网络号.主机号.主机号.主机号
网络号占1个字节（0-127），主机号占3个字节。2^24 = 1677万
B类： 网络号.网络号.主机号.主机号
网络号占2个字节，主机号占2个字节。 16000多个网络，每个网络中的主机数是：65534
C类：网络号.网络号.网络号.主机号
网络号占3个字节，主机号占1个字节。200多万的网络，每个网络的主机数是254

IPV6的介绍：
IPv4从理论上讲，编址1600万个网络、40亿台主机。但采用A、B、C三类编址方式后，可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣，以至IP地址已于2011年2月3日分配完毕。其中北美占有3/4，约30亿个，而人口最多的亚洲只有不到4亿个，中国截止2010年6月IPv4地址数量达到2.5亿，落后于4.2亿网民的需求。地址不足，严重地制约了中国及其他国家互联网的应用和发展。

IPv6具有更大的地址空间,IPv6中IP地址的长度为128位，即最大地址个数为2^128。分为8个16位的块。每个块，然后转换成由冒号分隔的4位十六进制数。如：2001:0000:3238:DFE1:0063:0000:0000:FEFB

本机的IP地址：
IPV4： 127.0.0.1 （点号分隔）
IPV6： 0:0:0:0:0:0:0:1 （冒号分隔）

3.端口号

如果把IP地址比作一间房子 ，端口就是出入这间房子的门。真正的房子只有几个门，但是一个IP地址的端口 可以有65536（即：2^16）个之多！端口是通过端口号来标记的，端口号只有整数，范围是从0 到65535（2^16-1）。

不同的软件通信，端口号不能相同，不能有冲突。

4.协议

计算机之间又是如何交换信息的呢？就像我们说话用某种语言一样，在网络上的各台计算机之间也有语言，这就是网络协议，不同的计算机之间必须使用相同的网络协议才能进行通信。

网络协议是网络上所有设备（网络服务器、计算机及交换机、路由器、防火墙等）之间通信规则的集合，它规定了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义。

常用协议和端口号：

5.网络模型

网络模型：是计算机网络通讯规范

OSI（Open System Interconnection开放系统互连）模型：
从上到下分七层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
1) 应用层：老板
2) 表示层：相当于公司中演示文稿、替老板写信的助理
3) 会话层：相当于公司中收寄信、写信封与拆信封的秘书
4) 传输层：相当于公司中跑邮局的送信职员
5) 网络层：相当于邮局中的对邮件分类的工人
6) 数据链路层：相当于邮局中的装拆箱工人
7) 物理层：相当于邮局中的搬运工人

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol 传输控制协议/互联网协议) 模型：
分四层：应用层、传输层、网络层、网络接口层
1) 应用层：应用层是应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等
2) 传输层：使源端和目的端机器上可以进行会话。在这一层定义了两个端到端的协议：传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol)和用户数据报协议(UDP，User Datagram Protocol)。
3) 网络层：主要解决主机到主机的通信问题。它所包含的协议设计数据包在整个网络上的逻辑传输。
4) 网络接口层：它负责监视数据在主机和网络之间的交换。

6.InetAddress类：

java.net.InetAddress：
此类表示互联网协议 (IP) 地址。IP 地址是 IP 使用的 32 位或 128 位无符号数字，它是一种低级协议，UDP 和 TCP 协议都是在它的基础上构建的。

InetAddress类的方法：
得到本机IP对象：

//静态方法，会抛出UnknownHostException（不知道的主机异常） InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();

得到其它机器的IP对象：

//通过IP地址的字符串 //通过对方的主机名 //通过域名 InetAddress.getByName(String ip)

得到IP地址的信息：

//返回 IP 地址字符串(以文本表现形式) String getHostAddress() //获取此 IP 地址的主机名 String getHostName() //返回此 InetAddress对象的原始 IP 地址，返回一个字节数组 byte[] getAddress()

Demo示例：

public class Demo1 { public static void main(String[] args) throws IOException { //得到主机： //得到自己的机器 //InetAddress address = InetAddress.getLocalHost(); //通过IP地址的字符串 //InetAddress address = InetAddress.getByName("192.168.151.6"); //通过主机名 //InetAddress address = InetAddress.getByName("NEWBOY-PC"); //通过域名 InetAddress address = InetAddress.getByName("www.163.com"); //输出IP地址 System.out.println("IP地址是：" + address.getHostAddress()); System.out.println("主机名是：" + address.getHostName()); System.out.println("IP地址的字节表示：" + Arrays.toString(address.getAddress())); } }

二、UDP协议

1.UDP协议的特点：
概念：User Datagram Protocol 用户数据报协议，以包的方式在网上传送数据，每个包都有传送和接受地址的讯息。
1) 连接：发送数据不需创建连接，分为发送端和接收端。
2) 大小：发送数据是以包为单位进行发送的，每个包的大小限制在64K
3) 丢失：传输速度快，可能会造成数据丢失。
4) 速度：相比TCP协议来说传输速度更快

应用：视频通话， CS

2.UDP类的API：
使用到的类：

java.net.DatagramSocket //发送端或接收端 java.net.DatagramPacket //封装数据的包

发送端：
1) 创建发送端DatagramSocket

DatagramSocket() //将其绑定到本地主机上任何可用的端口。会抛出SocketException异常

2) 创建数据包对象DatagramPacket

//buf 字节数组：用来封装任意的二进制数据 //length：数据的长度，length 参数必须小于等于 buf.length，一般与数组的长度相同 //address：接收方的IP地址 //port: 接收方的端口号 DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)

3) 发送方法

void send(DatagramPacket p) //从此套接字发送数据报包

4) 关闭DatagramSocket

void close() //关闭此数据报套接字

接收端：
1) 创建接收端DatagramSocket

//创建数据报套接字并将其绑定到本地主机上的指定端口。端口号与发送端数据包中的端口号相同 DatagramSocket(int port)

2) 创建数据包对象DatagramPacket

//构造 DatagramPacket，用来接收长度为 length 的数据包 DatagramPacket(byte[] buf, int length)

3) 接收方法：

//从此套接字接收数据报包，这是一个阻塞型的方法，如果数据没有来，则一定等待 void receive(DatagramPacket p)

4) 关闭DatagramSocket

//关闭此数据报套接字 void close()

3.实现UDP的发送端和接收端

#发送端 public class UdpSender { public static void main(String[] args) throws IOException { System.out.println("发送端发出数据"); //1) 创建发送端DatagramSocket,将其绑定到本地主机上任何可用的端口 DatagramSocket socket = new DatagramSocket(); //2) 创建数据包对象DatagramPacket byte[] buf = "你好，NewBoy!".getBytes(); //创建接收方的IP地址对象和端口号 InetAddress address = InetAddress.getByName("192.168.151.88"); DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length, address, 9999); //3) 发送 socket.send(packet) socket.send(packet); //4) 关闭DatagramSocket socket.close(); } } #接收端 public class UdpReceiver { public static void main(String[] args) { System.out.println("接收端启动。。。"); //1) 创建接收端DatagramSocket，本方的端口号 try(DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9999);) { //创建字节数组 byte[] buf = new byte[1024]; //2) 创建数据包对象DatagramPacket DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length); //3) 接收,阻塞型的方法 socket.receive(packet); //把数据输出 byte[] data = packet.getData(); //从包中取出数据 int len = packet.getLength(); //取出了长度 //要求获取到发送者的IP地址和端口号 InetAddress address = packet.getAddress(); int port = packet.getPort(); System.out.println("发送方的IP是：" + address + ",端口号：" + port); System.out.println("收到数据：" + new String(data,0,len)); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }

4.UDP聊天大厅代码实现

需求：使用UDP协议实现群聊的功能，发送信息和接收信息同时进行，输入端输入exit，则结束程序的运行。

1) 采用多线程的技术
2) 创建一个线程发送方，在键盘输入信息。输入exit退出聊天室。
3) 创建一个线程接收方，在控制台输出接收到的信息。
4) 注：给一个网段中所有的用户发送信息使用IP广播地址：192.168.x.255

#1.开启聊天功能 public class ChatRoom { public static void main(String[] args) { System.out.println("聊天室开启"); //开启发送端信息 new ChatReceiver().start(); //开启接收端信息 new ChatSender().start(); } } #2.发送端线程 class ChatSender extends Thread { @Override public void run() { // 从键输入聊天的信息 Scanner sc = new Scanner(System.in); // 创建发送端 try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket();) { // 声明包的对象 DatagramPacket packet = null; while (true) { String words = sc.nextLine(); if ("exit".e(words)) { break; } else { // 创建包对象 packet = new DatagramPacket(words.getBytes(), words.getBytes().length,InetAddress.getByName("192.168.59.255"), 8888); socket.send(packet); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } // 退出 System.out.println("退出聊天室"); System.exit(0); } } #3.接收端线程 class ChatReceiver extends Thread { @Override public void run() { try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8888);) { // 创建一个数组容器，存放数据 byte[] buf = new byte[1024 * 2]; DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length); while (true) { // 开始接收 socket.receive(packet); // 输出信息 System.out.println(new Time(System.currentTimeMillis()) + " " + packet.getAddress().getHostAddress() + "说：" + new String(packet.getData(), 0, packet.getLength())); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }

三、TCP协议

1.TCP协议的特点：
1) 连接：数据传输可靠，传输之前需要创建连接。
2) 大小：因为有连接，一旦连接成功，数据通过IO流的方式进行传输，可以传输无限大小的数据。
3) C/S：有服务端和客户端之分，也就是平时所说的C/S(Client / Server)结构。
4) 速度：相比UDP协议，传输速度更慢。

2.TCP的API：
客户端： Socket类（套接字）
1) 构造方法：

Socket(String host, int port) Socket(InetAddress address, int port) //指定服务端的主机名(或IP地址)和端口号

2) 方法：

void close() //关闭此套接字。 InputStream getInputStream() //返回此套接字的输入流。 如果从输入流中读取数据，就相当于接收信息。 OutputStream getOutputStream() //返回此套接字的输出流。 如果向输出流中写入数据，就相当于发送信息。

服务端： ServerSocket类
1) 构造方法：

ServerSocket(int port) //创建绑定到特定端口的服务器套接字，这个端口号是本机的端口号，不能有冲突。

2) 关闭此套接字

void close()

3.为什么ServerSocket服务端类没有得到输入输出流的方法？

Socket accept() //是一个阻塞型的方法，每来一个客户端，就创建一个Socket对象与其对应，进行数据的通信

3.实现客户端与服务端之间的通信

#1.客户端向服务器端发送一条数据 public class TcpClient { public static void main(String[] args) { // 1.创建Socket try (Socket socket = new Socket("192.168.151.88", 9898); // 2. 发送数据，得到输出流 OutputStream os = socket.getOutputStream(); InputStream is = socket.getInputStream();) { // 3.写数据 os.write("你好，我是客户端！".getBytes()); // 创建字节数组 byte[] buf = new byte[1024]; // 接收服务端发回的数据 int len = is.read(buf); System.out.println(new String(buf, 0, len)); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } #2.服务端也向客户端发送一条数据回应 public class TcpServer { public static void main(String[] args) { System.out.println("服务器启动。。。"); //创建ServerSocket对象 try(ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9898);) { //等待客户端的连接 Socket socket = serverSocket.accept(); //创建输入流，读取 InputStream is = socket.getInputStream(); OutputStream os = socket.getOutputStream(); //发送 byte[] buf = new byte[1024]; int len = is.read(buf); //读取客户端发送过来的数据 System.out.println("服务器收到客户端的信息：" + new String(buf,0,len)); //发送信息回客户端 os.write("你好，我是服务端，收到你的消息!".getBytes()); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }

4.实现服务端循环读取客户端发送的数据

需求：
1) 客户端和服务端都使用键盘输入的方式，把信息发送给对方。
2) 使用字符流的方式，处理字符数据更加方便。
3) BufferedReader中readLine();读取一行数据，使用BufferedWriter write(“字符串的数据”) 写数据

2.技术要点：
1) 因为字符流有缓存，所以如果要发送数据到对方的话，需要flush()，如果没有调用flush()会导致数据发送失败，对方无法收到数据。
2) 写入数据给对方，一定要换行，调用newLine()，否则对方无法使用readLine()读取到数据。

#1.客户端代码 public class ChatClient { public static void main(String[] args) { // 创建Socket对象 try (Scanner sc = new Scanner(System.in); Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8888); // 字符输入流 BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); // 字符输出流 BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));) { while (true) { System.out.println("我说："); // 接收键盘的输入字符串 String words = sc.nextLine(); if ("exit".equals(words)) { break; } // 发送数据 bw.write(words); // 换行 bw.newLine(); // 一定要flush() bw.flush(); // 收取对方的数据 System.out.println("对方说：" + br.readLine()); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } #2.服务端代码 public class ChatServer { public static void main(String[] args) { System.out.println("服务端启动。。。"); //创建服务端 try( Scanner sc = new Scanner(System.in); ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888); //得到客户端对应的对象 Socket socket = serverSocket.accept(); // 字符输入流 BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); // 字符输出流 BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream())); ) { while(true) { //接收对方的数据 System.out.println("客户端说：" + br.readLine()); System.out.println("我说："); String words = sc.nextLine(); if ("exit".equals(words)) { //只要说了exit，结束循环 break; } //发送给对方 bw.write(words); bw.newLine(); bw.flush(); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }

5.实现从服务器端下载一张图片文件

需求：编写一个TCP的服务端，可以接受多个客户端的连接，当接收到用户的连接请求以后，就要把一张图片传回给客户端。

分析：如果有一个用户连接上了，还在传输文件的过程中，又有新的用户连接，则会受到影响，所以要用到多线程的知识。每个用户使用一个专门的线程来服务，1对多的关系。

要点：
1) 只需创建一个ServerSocket对象
2) 每次accpet()得到一个Socket对象以后，通过构造方法传入到多线程类中，创建一个新的线程。
3) 多线程类的run方法读取本地服务器端的文件，通过字节流的方式写入到客户端中。
4) 注意：文件发送完成以后，是不会发送-1过去的，所以对方无法结束。需要调用方法：socket.shutdownOutput()

#1.服务器端代码 public class ImageServer extends Thread { private Socket socket; //创建一个带参数的构造方法 public ImageServer(Socket socket) { this.socket = socket; } @Override public void run() { //读取图片文件 try(FileInputStream fis = new FileInputStream("d:/girl.jpg"); //文件的输入流 OutputStream os = socket.getOutputStream(); //网络输出流 ) { //创建字节数组 byte[] buf = new byte[1024 * 4]; int len = 0; while((len = fis.read(buf))!=-1) { os.write(buf, 0, len); } //关闭输出流 socket.shutdownOutput(); System.out.println(now() + "\t" + socket.getInetAddress().getHostAddress() + " 下载完成"); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } /** * 得到当前的时间 */ public static String now() { return new Timestamp(System.currentTimeMillis()).toString(); } //启动程序 public static void main(String[] args) { System.out.println(now() + " 启动图片服务器"); //创建一个ServerSocket对象 try(ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9876);) { while (true) { //每次accpet()得到一个Socket对象以后，通过构造方法传入到多线程类中。 Socket socket = serverSocket.accept(); //得到IP地址 InetAddress address = socket.getInetAddress(); //输出连接的信息 System.out.println(now() + "\t" + address.getHostAddress() + " 开始下载图片"); //开启一个线程 new ImageServer(socket).start(); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } #2.客户端 public class ImageClient { public static void main(String[] args) { //创建客户端 try(Socket socket = new Socket("192.168.151.88", 9876); //网络的输入流 InputStream is = socket.getInputStream(); //文件的输出流 FileOutputStream fos = new FileOutputStream("e:/a.jpg"); ) { byte[] buf = new byte[1024]; int len = 0; //服务器端必须要shutdownOutput这里才能读取到-1 while((len = is.read(buf))!=-1) { fos.write(buf,0,len); } System.out.println("图片下载成功"); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }