Java网络编程基础知识

一、网络通信三要素

• IP地址：设备在网络中的地址，是唯一的标识
• 端口号：应用程序在设备中唯一的标识
• 协议：数据在网络中传输的规则，常见的协议有UDP协议和TCP协议

1 IP地址

• IP（Internet Protocol）：全称”互联网协议地址”，是分配给上网设备的唯一标志。
• ​​​常见分类：IPv4和IPv6

 IP地址形式：

• 公网地址和私有地址（局域网使用）
• 192.168.开头就是常见的局域网地址，范围为192.168.0.0~192.168.255.255，专门为组织机构内部使用

IP常用命令：

• ipconfig：查看本机IP地址
• ping IP地址：检查网络是否连通

特殊IP地址：

• 本机IP：127.0.0.1 或者 localhost（称为回送地址也可称为本地回环地址，只会寻找当前所在本机）

2 IP地址操作类 InetAddress

/**
    目标：InetAddress类概述（了解）
         一个该类的对象就代表一个IP地址对象。

    InetAddress类成员方法：
         static InetAddress getLocalHost()
            * 获得本地主机IP地址对象。
         static InetAddress getByName(String host)
            * 根据IP地址字符串或主机名获得对应的IP地址对象。
         String getHostName()
            * 获得主机名。
         String getHostAddress()
            * 获得IP地址字符串。
 */
public class InetAddressDemo01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1.获取本机地址对象。
        InetAddress ip1 = InetAddress.getLocalHost();
        System.out.println(ip1.getHostName());
        System.out.println(ip1.getHostAddress());

        // 2.获取域名ip对象
        InetAddress ip2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
        System.out.println(ip2.getHostName());
        System.out.println(ip2.getHostAddress());

        // 3.获取公网IP对象。
        InetAddress ip3 = InetAddress.getByName("112.80.248.76");
        System.out.println(ip3.getHostName());
        System.out.println(ip3.getHostAddress());

        // 4.判断是否能通： ping  5s之前测试是否可通
        System.out.println(ip3.isReachable(5000));
    }
}

 2 端口号

• 端口号：标识正在计算机设备上运行的进程（程序），被规定为一个16位的二进制，范围是0~65535。
• 端口类型

 注意：同一设备中不能出现两个程序的端口号一样，否则出错

3 协议

网络通信协议有两套参考模型：

• OSI参考模型：世界互联协议标准，全球通信规范，由于此模型过于理想化，未能在因特网上进行广泛推广。
• TCP/IP参考模型(或TCP/IP协议)：事实上的国际标准。 

 传输层的2个常见协议：

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

TCP协议特点：

• 使用前双方必须建立连接，是一种面向连接的可靠通信协议。
• 传输前采用“三次握手”方式建立连接，所以可靠。
• 在连接中可进行大数据量的传输。
• 连接、发送数据都需要确认，且传输完毕后，还需释放已建立的连接，通信效率较低。 

应用场景：

        对信息安全要求较高的场景：文件下载、金融等数据通信。

三次握手：

 四次挥手：

 

 UDP协议：

• 无连接、不可靠传输的协议。
• 将数据源IP、目的地IP和端口封装成数据包，不需要建立连接。
• 每个数据包大小限制在64KB内。
• 发送不管对方是否准备好，接收方收到也不确认，所以不可靠。
• 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。

常用场景：

• 语音通话、视频会话等。

二、UDP通信 

1 DatagramPacket：数据包对象

 

2 DatagramSocket：发送端和接收端对象 

 3 使用UDP通信实现：发送消息、接收消息

/**
  发送端  一发 一收
 */
public class ClientDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("=====客户端启动======");

        // 1、创建发送端对象：发送端自带默认的端口号（人）
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);

        // 2、创建一个数据包对象封装数据（韭菜盘子）
        /**
         public DatagramPacket(byte buf[], int length,
         InetAddress address, int port)
         参数一：封装要发送的数据（韭菜）
         参数二：发送数据的大小
         参数三：服务端的主机IP地址
         参数四：服务端的端口
         */
        byte[] buffer = "我是一颗快乐的韭菜，你愿意吃吗？".getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket( buffer, buffer.length,
                InetAddress.getLocalHost() , 8888);

        // 3、发送数据出去
        socket.send(packet);

        socket.close();
    }
}

/**
  发送端  一发 一收
 */
public class ClientDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("=====客户端启动======");

        // 1、创建发送端对象：发送端自带默认的端口号（人）
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);

        // 2、创建一个数据包对象封装数据（韭菜盘子）
        /**
         public DatagramPacket(byte buf[], int length,
         InetAddress address, int port)
         参数一：封装要发送的数据（韭菜）
         参数二：发送数据的大小
         参数三：服务端的主机IP地址
         参数四：服务端的端口
         */
        byte[] buffer = "我是一颗快乐的韭菜，你愿意吃吗？".getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket( buffer, buffer.length,
                InetAddress.getLocalHost() , 8888);

        // 3、发送数据出去
        socket.send(packet);

        socket.close();
    }
}

​

 

4 多发多收 

需求：使用UDP通信方式开发接收端和发动端

分析：

1. 发送端可以一直发送消息
2. 接收端可以不断的结束多个发送端的消息展示
3. 发送端输入了exit则结束发送端程序

/**
  发送端  多发 多收
 */
public class ClientDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("=====客户端启动======");

        // 1、创建发送端对象：发送端自带默认的端口号（人）
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(7777);
        

        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            System.out.println("请说：");
            String msg = sc.nextLine();

            if("exit".equals(msg)){
                System.out.println("离线成功！");
                socket.close();
                break;
            }

            // 2、创建一个数据包对象封装数据（韭菜盘子）
            byte[] buffer = msg.getBytes();
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket( buffer, buffer.length,
                    InetAddress.getLocalHost() , 8888);

            // 3、发送数据出去
            socket.send(packet);
        }

    }
}

/**
  接收端
 */
public class ServerDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.out.println("=====服务端启动======");
        // 1、创建接收端对象：注册端口（人）
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8888);

        // 2、创建一个数据包对象接收数据（韭菜盘子）
        byte[] buffer = new byte[1024 * 64];
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

        while (true) {
            // 3、等待接收数据。
            socket.receive(packet);
            // 4、取出数据即可
            // 读取多少倒出多少
            int len = packet.getLength();
            String rs = new String(buffer,0, len);
            System.out.println("收到了来自：" + packet.getAddress() +", 对方端口是" + packet.getPort() +"的消息：" + rs);
        }
    }
}

• UDP的接收端为什么可以接收很多发送端的消息？
• 答：接收端只负责接收数据包，无所谓是哪个发送端的数据包

5 广播、组播

 

5.1 UDP的三种通信方式

• 单播：单台主机与单台主机之间的通信
• 广播：当前主机与所在网络中的所有主机通信
• 组播：当前主机与选定的一组主机的通信

5.2 UDP如何是实现组播

• 使用组播地址：224.0.0.0~239.225.225.225
• 具体操作：
  1. 发送端的数据包的目的地是组播IP（如：224.0.1.1 端口：9999）
  2. 接收端必须绑定组播IP（224.0.1.1），端口还要注册发送端的目的端口9999，这样即可接受该组播消息
  3. DatagramSocket的子类MulticastSocket可以在接收端绑定组播IP
• 这个不太重要，要看代码可去项目里自己看

三、TCP通信

1 TCP通信模式演示：

 2 基本消息传输

客户端

客户端发送消息：

 服务端

 

 服务端接收消息：

 代码展示：

/**
   目标：完成Socket网络编程入门案例的客户端开发，实现1发1收。
 */
public class ClientDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("====客户端启动===");
            // 1、创建Socket通信管道请求有服务端的连接
            // public Socket(String host, int port)
            // 参数一：服务端的IP地址
            // 参数二：服务端的端口
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 7777);

            // 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流 负责发送数据
            OutputStream os = socket.getOutputStream();

            // 3、把低级的字节流包装成打印流
            PrintStream ps = new PrintStream(os);

            // 4、发送消息
            ps.println("我是TCP的客户端，我已经与你对接，并发出邀请：约吗？");
            ps.flush();

            // 关闭资源。
            // socket.close();

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

/**
   目标：开发Socket网络编程入门代码的服务端，实现接收消息
 */
public class ServerDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("===服务端启动成功===");
            // 1、注册端口
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7777);
            // 2、必须调用accept方法：等待接收客户端的Socket连接请求，建立Socket通信管道
            Socket socket = serverSocket.accept();
            // 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流
            InputStream is = socket.getInputStream();
            // 4、把字节输入流包装成缓冲字符输入流进行消息的接收
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
            // 5、按照行读取消息
            String msg;
            if ((msg = br.readLine()) != null){
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "说了：: " + msg);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 

 

 3 TCP实现多发多收消息

要求：

1. 可以使用死循环控制服务端接收完消息继续等待接收下一个消息
2. 客户端也可以使用死循环等待用户不断输入消息
3. 客户端一旦输入了exit，则关闭客户端程序，并释放资源

使用while(true)即可实现，类似于UDP

/**
   目标：实现多发和多收
 */
public class ClientDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("====客户端启动===");
            // 1、创建Socket通信管道请求有服务端的连接
            // public Socket(String host, int port)
            // 参数一：服务端的IP地址
            // 参数二：服务端的端口
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 7777);

            // 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流 负责发送数据
            OutputStream os = socket.getOutputStream();

            // 3、把低级的字节流包装成打印流
            PrintStream ps = new PrintStream(os);

            Scanner sc =  new Scanner(System.in);
            while (true) {
                System.out.println("请说：");
                String msg = sc.nextLine();
                // 4、发送消息
                ps.println(msg);
                ps.flush();
            }

            // 关闭资源。
            // socket.close();

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

/**
   目标：开发Socket网络编程入门代码的服务端，实现接收消息
 */
public class ServerDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("===服务端启动成功===");
            // 1、注册端口
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7777);
            while (true) {
                // 2、必须调用accept方法：等待接收客户端的Socket连接请求，建立Socket通信管道
                Socket socket = serverSocket.accept();
                // 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流
                InputStream is = socket.getInputStream();
                // 4、把字节输入流包装成缓冲字符输入流进行消息的接收
                BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
                // 5、按照行读取消息
                String msg;
                while ((msg = br.readLine()) != null){
                    System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "说了：: " + msg);
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 

 

 

 

4 TCP通信同时接收多个客户端消息

        之前的TCP通信为什么不能同时与多个客户端通信？ 答：单线程每次只能处理一个客户端的Socket通信。解决方法：引入多线程。

 代码如下：（ClientDemo代码是一样的，不贴了）

public class ServerReaderThread extends Thread{
    private Socket socket;
    public ServerReaderThread(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            // 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流
            InputStream is = socket.getInputStream();
            // 4、把字节输入流包装成缓冲字符输入流进行消息的接收
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
            // 5、按照行读取消息
            String msg;
            while ((msg = br.readLine()) != null){
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "说了：: " + msg);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "下线了！！！");
        }
    }
}

/**
   目标：实现服务端可以同时处理多个客户端的消息。
 */
public class ServerDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("===服务端启动成功===");
            // 1、注册端口
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7777);
            // a.定义一个死循环由主线程负责不断的接收客户端的Socket管道连接。
            while (true) {
                // 2、每接收到一个客户端的Socket管道，交给一个独立的子线程负责读取消息
                Socket socket = serverSocket.accept();
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress()+ "它来了，上线了！");
                // 3、开始创建独立线程处理socket
                new ServerReaderThread(socket).start();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 

 （有一个客户端被我叉掉了，所以没贴图了）

本次是如何实现服务端接收多个客户端的消息的？

答：主线程定义了循坏负责接收客户端Socket管道连接，每接收到一个Socket通信管道后分配一个独立的线程负责处理它。

5 使用线程池优化

        4的通信架构存在一些问题：客户端与服务端的线程模型是N-N关系，客户端并发越多，系统瘫痪越快。

引入线程池处理多个客户端消息

 代码如下，ClientDemo一样省略不写了

public class ServerReaderRunnable implements Runnable{
    private Socket socket;
    public ServerReaderRunnable(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            // 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流
            InputStream is = socket.getInputStream();
            // 4、把字节输入流包装成缓冲字符输入流进行消息的接收
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
            // 5、按照行读取消息
            String msg;
            while ((msg = br.readLine()) != null){
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "说了：: " + msg);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "下线了！！！");
        }
    }
}

/**
   目标：实现服务端可以同时处理多个客户端的消息。
 */
public class ServerDemo2 {

    // 使用静态变量记住一个线程池对象
    private static ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(300,
            1500, 6, TimeUnit.SECONDS,
            new ArrayBlockingQueue<>(2)
    , Executors.defaultThreadFactory(), new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("===服务端启动成功===");
            // 1、注册端口
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
            // a.定义一个死循环由主线程负责不断的接收客户端的Socket管道连接。
            while (true) {
                // 2、每接收到一个客户端的Socket管道，
                Socket socket = serverSocket.accept();
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress()+ "它来了，上线了！");

                // 任务对象负责读取消息。
                Runnable target = new ServerReaderRunnable(socket);
                pool.execute(target);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

        本次使用线程池的优势是什么？ 服务端可以服用线程处理多个客户端，可以避免系统瘫痪。适合客户端通信时间较短的场景。

四、TCP通信实战案例

1 即时通信 

含义：指一个客户端的消息发出去，其他客户端可以接收到。（之前我们的消息都是发给服务端的，即时通信需要进行端口转发的设计思想）

 代码及运行结果如下：

/**
    拓展：即时通信

    客户端：发消息的同时，随时有人发消息过来。
    服务端：接收消息后，推送给其他所有的在线socket
 */
public class ClientDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("====客户端启动===");
            // 1、创建Socket通信管道请求有服务端的连接
            // public Socket(String host, int port)
            // 参数一：服务端的IP地址
            // 参数二：服务端的端口
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 7070);

            // 马上为客户端分配一个独立的线程负责读取它收到的消息
            new ClientReaderThread(socket).start();

            // 2、从socket通信管道中得到一个字节输出流 负责发送数据
            OutputStream os = socket.getOutputStream();

            // 3、把低级的字节流包装成打印流
            PrintStream ps = new PrintStream(os);

            Scanner sc =  new Scanner(System.in);
            while (true) {
                System.out.println("请说：");
                String msg = sc.nextLine();
                // 4、发送消息
                ps.println(msg);
                ps.flush();
            }
            // 关闭资源。
            // socket.close();

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class ClientReaderThread extends Thread{
    private Socket socket;
    public ClientReaderThread(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            // 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流
            InputStream is = socket.getInputStream();
            // 4、把字节输入流包装成缓冲字符输入流进行消息的接收
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
            // 5、按照行读取消息
            String msg;
            while ((msg = br.readLine()) != null){
                System.out.println("收到了: " + msg);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("服务端把你踢出去了~~");
        }
    }

}

/**
   目标: 即时通信
 */
public class ServerDemo2 {

    public static List<Socket> onLineSockets = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("===服务端启动成功===");
            // 1、注册端口
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7070);
            // a.定义一个死循环由主线程负责不断的接收客户端的Socket管道连接。
            while (true) {
                // 2、每接收到一个客户端的Socket管道，交给一个独立的子线程负责读取消息
                Socket socket = serverSocket.accept();
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress()+ "它来了，上线了！");
                // 把当前客户端管道Socket加入到在线集合中去
                onLineSockets.add(socket);

                // 3、开始创建独立线程处理socket
                new ServerReaderThread(socket).start();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class ServerReaderThread extends Thread{
    private Socket socket;
    public ServerReaderThread(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            // 3、从socket通信管道中得到一个字节输入流
            InputStream is = socket.getInputStream();
            // 4、把字节输入流包装成缓冲字符输入流进行消息的接收
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
            // 5、按照行读取消息
            String msg;
            while ((msg = br.readLine()) != null){
                System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "说了：: " + msg);
                // 把这个消息发给当前所有在线socket
                sendMsgToAll(msg);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "下线了！！！");
            // 从在线集合中抹掉本客户端socket
            ServerDemo2.onLineSockets.remove(socket);
        }
    }

    private void sendMsgToAll(String msg) {
        try {
            // 遍历全部的在线 socket给他们发消息
            for (Socket onLineSocket : ServerDemo2.onLineSockets) {
                // 除了自己的socket，其他socket我都发！！
                if(onLineSocket != socket){
                    PrintStream ps = new PrintStream(onLineSocket.getOutputStream());
                    ps.println(msg);
                    ps.flush();
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

 

 

 （复习时思考一下：为什么这个叉掉客户端没有提示下线，如果要提示应该加在哪里）

 即时通信是什么含义，要实现怎么样的设计？

• 即时通信，是指一个客户端的消息发出去，其他客户端可以接收到
• 即时通信需要进行端口转发的设计思想
• 服务端需要把在线的Socket管道存储起来
• 一旦收到一个消息推送给其他管道

2 模拟BS系统（目前暂时了解就行）

之前的客户端是什么样的？

• 答：其实就是CS架构，客户端需要我们自己开发实现

BS结构是什么样的，需要开发客户端吗？

• 答：浏览器访问服务端，不需要开发客户端 

 

 代码如下，可以自己去网页试一下：

/**
    了解：BS-浏览器-服务器基本了解。

    引入：
        之前客户端和服务端都需要自己开发。也就是CS架构。
        接下来模拟一下BS架构。

    客户端：浏览器。（无需开发）
    服务端：自己开发。
    需求：在浏览器中请求本程序，响应一个网页文字给浏览器显示


 */
public class BSserverDemo {
    // 使用静态变量记住一个线程池对象
    private static ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(3,
            5, 6, TimeUnit.SECONDS,
            new ArrayBlockingQueue<>(2)
            , Executors.defaultThreadFactory(), new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 1.注册端口
            ServerSocket ss = new ServerSocket(9080);
            // 2.创建一个循环接收多个客户端的请求。
            while(true){
                Socket socket = ss.accept();
                // 3.交给一个独立的线程来处理！
                pool.execute(new ServerReaderRunnable(socket));
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class ServerReaderRunnable implements Runnable{
    private Socket socket;
    public ServerReaderRunnable(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            // 浏览器 已经与本线程建立了Socket管道
            // 响应消息给浏览器显示
            PrintStream ps = new PrintStream(socket.getOutputStream());
            // 必须响应HTTP协议格式数据，否则浏览器不认识消息
            ps.println("HTTP/1.1 200 OK"); // 协议类型和版本 响应成功的消息！
            ps.println("Content-Type:text/html;charset=UTF-8"); // 响应的数据类型：文本/网页

            ps.println(); // 必须发送一个空行

            // 才可以响应数据回去给浏览器
            ps.println("<span style='color:red;font-size:90px'>《胡逸杰爱学习！加油(ง •_•)ง》 </span>");
            ps.close();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "下线了！！！");
        }
    }
}

 五、总结

主要涉及Java网络编程的一些基础知识，挺有意思的！继续加油！