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DatagramPacketbyte[] 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DatagramSocketsocket.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DatagramPacketDatagramPacket 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 {@Overridepublic 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".equalsIgnoreCase(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 {@Overridepublic 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Sockettry (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;}@Overridepublic 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-1while((len = is.read(buf))!=-1) {fos.write(buf,0,len);}System.out.println("图片下载成功");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}