网络编程

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、红蜘蛛、飞秋等软件。

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IE、谷歌、火狐等。

两种架构各有优势，但是无论哪种架构，都离不开网络的支持。

网络编程，就是在一定的协议下，实现两台计算机之间正确通信的程序。

InetAddress类

InetAddress类主要表示IP地址

Internet上的主机有两种方式表示地址：

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

lInetAddress 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

package com.atguigu.ip;

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;

import org.junit.Test;

public class TestInetAddress {
    @Test
    public void test01() throws UnknownHostException{
        InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();
        System.out.println(localHost);
    }

    @Test
    public void test02()throws UnknownHostException{
        InetAddress atguigu = InetAddress.getByName("www.atguigu.com");
        System.out.println(atguigu);
    }
 
}

网络通信协议

1、OSI参考模型和TCP/IP参考模型

• 网络通信协议：通过计算机网络可以使多台计算机实现连接，位于同一个网络中的计算机在进行连接和通信时需要遵守一定的规则，这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样。在计算机网络中，这些连接和通信的规则被称为网络通信协议，它对数据的传输格式、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才能完成数据交换。
• TCP/IP协议簇： 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。
• TCP/IP协议中的四层分别是应用层、传输层、网络层和链路层，每层分别负责不同的通信功能。
  链路层：链路层是用于定义物理传输通道，通常是对某些网络连接设备的驱动协议，例如针对光纤、网线提供的驱动。
• 网络层：网络层是整个TCP/IP协议的核心，它主要用于将传输的数据进行分组，将分组数据发送到目标计算机或者网络。而IP协议是一种非常重要的协议。IP（internet protocol）又称为互联网协议。IP的责任就是把数据从源传送到目的地。它在源地址和目的地址之间传送一种称之为数据包的东西，它还提供对数据大小的重新组装功能，以适应不同网络对包大小的要求。
• 传输层：主要使网络程序进行通信，在进行网络通信时，可以采用TCP协议，也可以采用UDP协议。TCP（Transmission Control Protocol）协议，即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)：是一个无连接的传输层协议、提供面向事务的简单不可靠的信息传送服务。
• 应用层：主要负责应用程序的协议，例如HTTP协议、FTP协议、SNMP（简单网络管理协议）、SMTP（简单邮件传输协议）和POP3（Post Office Protocol 3的简称,即邮局协议的第3个版）等。

而通常我们说的TCP/IP协议，其实是指TCP/IP协议族，因为该协议家族的两个最核心协议：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议），为该家族中最早通过的标准，所以简称为TCP/IP协议。

2、UDP协议

UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)，它是非面向连的，不可靠的无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据。

由于使用UDP协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输例如视频会议都使用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。

但是在使用UDP协议传送数据时，由于UDP的面向无连接性，不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议。

• 大小限制的：数据被限制在64kb以内，超出这个范围就不能发送了。
• 数据报(Datagram)：网络传输的基本单位

UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)，是一种面向非连接的协议，面向非连接指的是在正式通信前不必与对方先建立连接，不管对方状态就直接发送，至于对方是否可以接收到这些数据内容，UDP协议无法控制，因此说，UDP协议是一种不可靠的协议。无连接的好处就是快，省内存空间和流量，因为维护连接需要创建大量的数据结构。UDP会尽最大努力交付数据，但不保证可靠交付，没有TCP的确认机制、重传机制，如果因为网络原因没有传送到对端，UDP也不会给应用层返回错误信息。

UDP协议是面向数据报文的信息传送服务。UDP在发送端没有缓冲区，对于应用层交付下来的报文在添加了首部之后就直接交付于ip层，不会进行合并，也不会进行拆分，而是一次交付一个完整的报文。比如我们要发送100个字节的报文，我们调用一次send()方法就会发送100字节，接收方也需要用receive()方法一次性接收100字节，不能使用循环每次获取10个字节，获取十次这样的做法。

UDP协议没有拥塞控制，所以当网络出现的拥塞不会导致主机发送数据的速率降低。虽然UDP的接收端有缓冲区，但是这个缓冲区只负责接收，并不会保证UDP报文的到达顺序是否和发送的顺序一致。因为网络传输的时候，由于网络拥塞的存在是很大的可能导致先发的报文比后发的报文晚到达。如果此时缓冲区满了，后面到达的报文将直接被丢弃。这个对实时应用来说很重要，比如：视频通话、直播等应用。

因此UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境，数据报大小限制在64K以下。

3、TCP协议

TCP：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。它是面向连接的，可靠的通信协议，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。是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层的通信协议，可以连续传输大量的数据。类似于打电话的效果。

TCP协议负责收集这些数据信息包，并将其按适当的次序放好传送，在接收端收到后再将其正确的还原。TCP协议保证了数据包在传送中准确无误。TCP协议使用重发机制，当一个通信实体发送一个消息给另一个通信实体后，需要收到另一个通信实体确认信息，如果没有收到另一个通信实体确认信息，则会再次重复刚才发送的消息。

这是因为它为当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时，TCP协议会采用“三次握手”方式让它们建立一个连接，用于发送和接收数据的虚拟链路。数据传输完毕TCP协议会采用“四次挥手”方式断开连接。

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。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。

• 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。

通俗理解

（1）男孩喜欢女孩，于是写了一封信告诉女孩：我爱你，请和我交往吧！;写完信之后，男孩焦急地等待，因为不知道信能否顺利传达给女孩。

（2）女孩收到男孩的情书后，心花怒放，原来我们是两情相悦呀！于是给男孩写了一封回信：我收到你的情书了，也明白了你的心意，其实，我也喜欢你！我愿意和你交往！;

写完信之后，女孩也焦急地等待，因为不知道回信能否能顺利传达给男孩。

（3）男孩收到回信之后很开心，因为发出的情书女孩收到了，并且从回信中知道了女孩喜欢自己，并且愿意和自己交往。然后男孩又写了一封信告诉女孩：你的心意和信我都收到了，谢谢你，还有我爱你！

女孩收到男孩的回信之后，也很开心，因为发出的情书男孩收到了。由此男孩女孩双方都知道了彼此的心意，之后就快乐地交流起来了~~

TCP协议中，在发送数据结束后，释放连接时需要经过四次挥手。

• 第一次挥手：客户端向服务器端提出结束连接，让服务器做最后的准备工作。此时，客户端处于半关闭状态，即表示不再向服务器发送数据了，但是还可以接受数据。
• 第二次挥手：服务器接收到客户端释放连接的请求后，会将最后的数据发给客户端。并告知上层的应用进程不再接收数据。
• 第三次挥手：服务器发送完数据后，会给客户端发送一个释放连接的报文。那么客户端接收后就知道可以正式释放连接了。
• 第四次挥手：客户端接收到服务器最后的释放连接报文后，要回复一个彻底断开的报文。这样服务器收到后才会彻底释放连接。这里客户端，发送完最后的报文后，会等待2MSL，因为有可能服务器没有收到最后的报文，那么服务器迟迟没收到，就会再次给客户端发送释放连接的报文，此时客户端在等待时间范围内接收到，会重新发送最后的报文，并重新计时。如果等待2MSL后，没有收到，那么彻底断开。

第一次挥手"：日久见人心，男孩发现女孩变成了自己讨厌的样子，忍无可忍，于是决定分手，随即写了一封信告诉女孩。

“第二次挥手”：女孩收到信之后，知道了男孩要和自己分手，怒火中烧，心中暗骂：你算什么东西，当初你可不是这个样子的！于是立马给男孩写了一封回信：分手就分手，给我点时间，我要把你的东西整理好，全部还给你！
男孩收到女孩的第一封信之后，明白了女孩知道自己要和她分手。随后等待女孩把自己的东西收拾好。

“第三次挥手”：过了几天，女孩把男孩送的东西都整理好了，于是再次写信给男孩：你的东西我整理好了，快把它们拿走，从此你我恩断义绝！

“第四次挥手”：男孩收到女孩第二封信之后，知道了女孩收拾好东西了，可以正式分手了，于是再次写信告诉女孩：我知道了，这就去拿回来！

这里双方都有各自的坚持。
女孩自发出第二封信开始，限定一天内收不到男孩回信，就会再发一封信催促男孩来取东西！
男孩自发出第二封信开始，限定两天内没有再次收到女孩的信就认为，女孩收到了自己的第二封信；若两天内再次收到女孩的来信，就认为自己的第二封信女孩没收到，需要再写一封信，再等两天…..

Socket编程

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：

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

通信的两端都要有Socket（也可以叫“套接字”），是两台机器间通信的端点。网络通信其实就是Socket间的通信。

UDP网络编程

DatagramSocket和DatagramPacket

1、DatagramSocket

此类表示用来发送和接收数据报包的套接字。数据报套接字是包投递服务的发送或接收点。每个在数据报套接字上发送或接收的包都是单独编址和路由的。从一台机器发送到另一台机器的多个包可能选择不同的路由，也可能按不同的顺序到达。

DatagramPacket类

DatagramPacket此类表示数据报包。 数据报包用来实现无连接包投递服务。每条报文仅根据该包中包含的信息从一台机器路由到另一台机器。

开发步骤

发送端程序包含以下四个基本的 步骤：

• 创建DatagramSocket ：默认使用系统随机分配端口号。
• 创建DatagramPacket：将要发送的数据用字节数组表示，并指定要发送的数据长度，接收方的IP地址和端口号。
• 调用 该DatagramSocket 类对象的 send方法 ：发送数据报DatagramPacket对象。
• 关闭DatagramSocket 对象：发送端程序结束，关闭通信套接字。

接收端程序包含以下四个基本的步骤 ：

• 创建DatagramSocket ：指定监听的端口号。
• 创建DatagramPacket：指定接收数据用的字节数组，起到临时数据缓冲区的效果，并指定最大可以接收的数据长度。
• 调用 该DatagramSocket 类对象的receive方法 ：接收数据报DatagramPacket对象。。
• 关闭DatagramSocket ：接收端程序结束，关闭通信套接字。

演示发送和接收消息

1、发送端示例代码

package com.atguigu.udp;

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.ArrayList;

public class Send {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
//        1、建立发送端的DatagramSocket
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

        //要发送的数据
        ArrayList<String> all = new ArrayList<String>();
        all.add("世上只有一种英雄主义，就是在认清生活真相之后依然热爱生活");

        //接收方的IP地址
        InetAddress ip = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
        //接收方的监听端口号
        int port = 9999;
        //发送多个数据报
        for (int i = 0; i < all.size(); i++) {
//            2、建立数据包DatagramPacket
            byte[] data = all.get(i).getBytes();
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(data, 0, data.length, ip, port);
//            3、调用Socket的发送方法
            ds.send(dp);
        }

//        4、关闭Socket
        ds.close();
    }
}

2、接收端示例代码

package com.atguigu.udp;

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;

public class Receive {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
//        1、建立接收端的DatagramSocket，需要指定本端的监听端口号
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(9999);

        //一直监听数据
        while(true){
            //2、建立数据包DatagramPacket
            byte[] buffer = new byte[1024*64];
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buffer , buffer.length);

            //3、调用Socket的接收方法
            ds.receive(dp);

            //4、拆封数据
            String str = new String(dp.getData(),0,dp.getLength());
            System.out.println(str);
        }

//        ds.close();
    }
}

TCP网络编程

ServerSocket和Socket

1、ServerSocket类

2、Sokcet类

注意：先后调用Socket的shutdownInput()和shutdownOutput()方法，仅仅关闭了输入流和输出流，并不等于调用Socket的close()方法。在通信结束后，仍然要调用Scoket的close()方法，因为只有该方法才会释放Socket占用的资源，比如占用的本地端口号等。

开发步骤

服务器端程序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Socket 对象：客户端访问结束，关闭通信套接字。

客户端程序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路。
• 关闭 Socket ：断开客户端到服务器的连接，释放线路

演示单个客户端与服务器单次通信

需求：客户端连接服务器，连接成功后给服务发送“lalala”，服务器收到消息后，给客户端返回“欢迎登录”，客户端接收消息后，断开连接

1、服务器端示例代码

package com.atguigu.tcp.one;

import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.InetAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Server {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        //1、准备一个ServerSocket对象，并绑定8888端口
        ServerSocket server =  new ServerSocket(8888);
        System.out.println("等待连接....");

        //2、在8888端口监听客户端的连接，该方法是个阻塞的方法，如果没有客户端连接，将一直等待
        Socket socket = server.accept();
        InetAddress inetAddress = socket.getInetAddress();
        System.out.println(inetAddress.getHostAddress() + "客户端连接成功！！");

        //3、获取输入流，用来接收该客户端发送给服务器的数据
        InputStream input = socket.getInputStream();
        //接收数据
        byte[] data = new byte[1024];
        StringBuilder s = new StringBuilder();
        int len;
        while ((len = input.read(data)) != -1) {
            s.append(new String(data, 0, len));
        }
        System.out.println(inetAddress.getHostAddress() + "客户端发送的消息是：" + s);

        //4、获取输出流，用来发送数据给该客户端
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        //发送数据
        out.write("欢迎登录".getBytes());
        out.flush();

        //5、关闭socket，不再与该客户端通信
        //socket关闭，意味着InputStream和OutputStream也关闭了
        socket.close();

        //6、如果不再接收任何客户端通信，可以关闭ServerSocket
        server.close();
    }
}

2、客户端示例代码

package com.atguigu.tcp.one;

import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1、准备Socket，连接服务器，需要指定服务器的IP地址和端口号
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);

        // 2、获取输出流，用来发送数据给服务器
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        // 发送数据
        out.write("lalala".getBytes());
        //会在流末尾写入一个“流的末尾”标记，对方才能读到-1，否则对方的读取方法会一致阻塞
        socket.shutdownOutput();

        //3、获取输入流，用来接收服务器发送给该客户端的数据
        InputStream input = socket.getInputStream();
        // 接收数据
        byte[] data = new byte[1024];
        StringBuilder s = new StringBuilder();
        int len;
        while ((len = input.read(data)) != -1) {
            s.append(new String(data, 0, len));
        }
        System.out.println("服务器返回的消息是：" + s);

        //4、关闭socket，不再与服务器通信，即断开与服务器的连接
        //socket关闭，意味着InputStream和OutputStream也关闭了
        socket.close();
    }
}

演示多个客户端与服务器之间的多次通信

通常情况下，服务器不应该只接受一个客户端请求，而应该不断地接受来自客户端的所有请求，所以Java程序通常会通过循环，不断地调用ServerSocket的accept()方法。

如果服务器端要“同时”处理多个客户端的请求，因此服务器端需要为每一个客户端单独分配一个线程来处理，否则无法实现“同时”。

咱们之前学习IO流的时候，提到过装饰者设计模式，该设计使得不管底层IO流是怎样的节点流：文件流也好，网络Socket产生的流也好，程序都可以将其包装成处理流，甚至可以多层包装，从而提供更多方便的处理。

案例需求：多个客户端连接服务器，并进行多次通信

• 每一个客户端连接成功后，从键盘输入英文单词或中国成语，并发送给服务器
• 服务器收到客户端的消息后，把词语“反转”后返回给客户端
• 客户端接收服务器返回的“词语”，打印显示
• 当客户端输入“stop”时断开与服务器的连接
• 多个客户端可以同时给服务器发送“词语”，服务器可以“同时”处理多个客户端的请求

1、服务器端示例代码

package com.atguigu.tcp.many;

import java.io.IOException;
import java.io.PrintStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1、准备一个ServerSocket
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        System.out.println("等待连接...");

        int count = 0;
        while(true){
            // 2、监听一个客户端的连接
            Socket socket = server.accept();
            System.out.println("第" + ++count + "个客户端"+socket.getInetAddress().getHostAddress()+"连接成功！！");

            ClientHandlerThread ct = new ClientHandlerThread(socket);
            ct.start();
        }
        //这里没有关闭server，永远监听
    }
    static class ClientHandlerThread extends Thread{
        private final Socket socket;
        private String ip;

        public ClientHandlerThread(Socket socket) {
            this.socket = socket;
            ip = socket.getInetAddress().getHostAddress();
        }

        public void run(){
            try(//（1）获取输入流，用来接收该客户端发送给服务器的数据
                Scanner input = new Scanner(socket.getInputStream());
                //（2）获取输出流，用来发送数据给该客户端
                PrintStream ps = new PrintStream(socket.getOutputStream());
                socket;
            ){
                // （3）接收数据
                while (input.hasNextLine()) {
                    String str = input.nextLine();
                    //（4）反转
                    StringBuilder word = new StringBuilder(str);
                    word.reverse();
                    //（5）返回给客户端
                    ps.println(word);
                }
                System.out.println("客户端" + ip+"正常退出");
            }catch(Exception  e){
                System.out.println("客户端" + ip+"意外退出");
            }
        }
    }
}

2、客户端示例代码

package com.atguigu.tcp.many;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try(
            // 1、准备Socket，连接服务器，需要指定服务器的IP地址和端口号
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);

            // 2、获取输出流，用来发送数据给服务器
            OutputStream out = socket.getOutputStream();
            PrintStream ps = new PrintStream(out);

            // 3、获取输入流，用来接收服务器发送给该客户端的数据
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            Scanner input = new Scanner(inputStream);

            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        ) {
            while (true) {
                System.out.println("输入发送给服务器的单词或成语：");
                String message = scanner.nextLine();
                if (message.equalsIgnoreCase("stop")) {
                    socket.shutdownOutput();
                    break;
                }

                // 4、 发送数据
                ps.println(message);
                // 接收数据
                String feedback = input.nextLine();
                System.out.println("从服务器收到的反馈是：" + feedback);
            }
        }catch (IOException e){
            System.out.println("客户端意外断开连接！");
        }

    }