Java基础关键_034_网络编程

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一、概述

二、网络编程三要素

1.IP 地址

2.端口号

3.通信协议

（1）说明

（2）OSI 七层参考模型

（3）TCP/IP 四层参考模型

三、网络编程基础类

1.InetAddress

2.URL

（1）说明

（2）实例 

（3）openStream()

四、TCP 与 UDP 协议

1.Socket 套接字

2.TCP 协议

（1）说明

（2）三次握手（建立通道）

（3）四次挥手（关闭通道）

3.UDP 协议

4.TCP 与 UDP 区别

五、TCP 编程

1.说明

2.概览 

3.Socket 类

4.ServerSocket 类

5.向服务器发送消息实例

6.向服务器发送图片实例

 六、UDP 编程

1.说明

2.DatagramSocket 类

3.DatagramPacket 类

4. 实例

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一、概述

1. 网络编程：利用计算机网络实现程序之间通信的一种编程方式，程序需要通过网络协议进行通信，以实现不同计算机之间的数据传输和共享；
2. 三个基本要素：
   1. IP：定位网络中某台计算机；
   2. port：定位计算机上的某个进程；
   3. 通信协议：通过【IP 地址】和【port 端口号】定位后，依靠通信协议保证数据高效可靠的传输。

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二、网络编程三要素

1.IP 地址

1. IP 地址作为网络中每台计算机的唯一标识；
2. 在 Internet 中，使用 IPv4 或 IPv6 地址表示 IP 地址；
3. 通常 IPv4 地址格式为【xxx.xxx.xxx.xxx】，其中每一个【xxx】表示一个 8 位的二进制数，其取值范围是【0 ~ 255】，该组合可以表示【2^32】个不同的 IP 地址；
4. IPv4 的总数量有 4,294,967,296 个，但也是有使用限制的。IPv4 地址分为 网络地址 和主机地址，前 3 个字节表示网络地址，最后 1 个字节表示主机地址。由于一些 IP 地址被保留或私有机构占有，所以这些地址不能用于公网分配。还有一些地址用作多播地址，仅用于特定场景，所以 IPv6 地址开始普及；
5. IPv6 使用 16 个字节表示 IP 地址，即 128 位。IPv6 地址由 8 组16位的十六进制数组成，每组以【:】分割；
6. 本机地址：127.0.0.1，主机名：localhost；
7. 私有地址属于非注册地址，为组织机构内部使用，【192.168.0.0 ~ 192.168.255.255】为私有地址；
8. 域名：是在 IP 地址上发展起来的符号化地址方案，用来替代数字型 IP 地址，每一个符号化的地址都与特定 IP 地址对应。这种字符型地址就是域名；
9. DNS（域名服务器）：在 Internet 上，域名与 IP 地址之间是 一对一 或 多对一 的，虽然域名便于记忆，但是机器间只能识别 IP 地址，其之间的转换称为域名解析。域名解析需要特定的域名解析服务器完成，DNS 全称 Domain Name Server。

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2.端口号

1. 不同应用程序是通过端口号区分的；
2. 端口号是由 2 个字节表示的，取值范围是【0 ~ 65,535】；
3. 分类：
   1. 公认端口：0 ~ 1023。被预先定义的服务通信占用，例如：HTTP 端口是 80，FTP 端口是 21 等；
   2. 注册端口：1024 ~ 49151。分配给用户进程或应用程序，例如：Tomcat 端口是 8080，MySQL 端口是 3306，Oracle 端口是 1521 等；
   3. 私有端口（动态端口）：49152 ~ 65535。
4. 通常，服务器使用固定的端口号监听客户端请求，而客户端使用随机端口连接服务器；
5. 必须同时指定 IP 地址 和 端口号才能正确发送数据。

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3.通信协议

（1）说明

1. 通过计算机网络可以连接多台计算机，位于同一网络下的计算机，其间的连接和通信需要遵守一定的规则。这些规则就是网络通信协议，它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做出了统一规定，双方必须同时遵守才能完成数据交换；

2. 常用的协议有：TCP、UDP、HTTP、FTP 等；

3. TCP 协议：传输控制协议。是一种可靠的面向连接协议，保证数据传输的完整性；

4. UDP 协议：用户数据报协议。是一种无连接的协议，传输效率高。

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（2）OSI 七层参考模型

1. 国际标准化组织 ISO 提出的 不限定于具体的设备、系统、网络体系结构 的模型，称为 Open System Interconnection 参考模型；

2. 物理层：通过物理介质传输原始比特流（如网线、Wi-Fi 信号）；

3. 数据链路层：管理直接相连设备间的数据传输（如 MAC 地址、交换机）；

4. 网络层：在不同网络间路由数据（如 IP 地址、路由器）；

5. 传输层：确保端到端的可靠通信（如 TCP、UDP 协议）；

6. 会话层：建立、管理和终止应用间的会话（如会话控制）；

7. 表示层：转换数据格式（如加密、压缩、编码）；

8. 应用层：面向用户的服务和协议（如 HTTP、FTP、电子邮件）。

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（3）TCP/IP 四层参考模型

1. 由于 OSI 模型和协议自身缺陷，没有推出成熟的产品。而 TCP/IP 模型在实践中不断完善并取得了成功；

2. TCP/IP 协议：传输控制协议/网际协议，是 Internet 最基本的协议，国际互联网的基础；

3. TCP/IP 协议是一个开放的网络协议簇，名字主要取自最重要的 网络层 IP 协议 和 传输层 TCP 协议。

层级	核心功能	典型协议/技术	与OSI模型对应关系
应用层	提供用户接口和网络服务（如文件传输、邮件、网页浏览）	HTTP, FTP, SMTP, DNS, SSH, HTTPS	对应OSI的应用层、表示层、会话层
传输层	确保端到端的数据传输可靠性或效率	TCP（可靠连接）、UDP（高效无连接）	对应OSI的传输层
网络层 （网际层）	负责逻辑寻址、路由选择和数据包转发	IP（IPv4/IPv6）, ICMP, ARP, BGP	对应OSI的网络层
网络接口层	管理物理网络连接、帧传输和硬件寻址	以太网（Ethernet）、Wi-Fi、MAC地址	对应OSI的数据链路层和物理层

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三、网络编程基础类

1.InetAddress

1. java.net.InetAddress 类用来封装计算机的 IP 地址 和 DNS（无端口信息），包括一个主机名和一个 IP 地址，是 Java 对 IP 地址的高层表示；
2. 多数其他网络类都要使用此类，包括 Socket、ServerSocket、URL、DatagramSocket、DatagramPacket 等；
3. 常用静态方法：
   1. getLocalHost()：得到本机的 InetAddress 对象，其中封装了 IP 地址 和 主机名；
   2. getByName(String host)：传入目标主机的名称或 IP 地址，得到对应的 InetAddress 对象，其中封装了 IP 地址 和 主机名，底层会自动连接 DNS 进行域名解析。
4. 常用实例方法：
   1. getHostAddress()：获取 IP 地址；
   2. getHostName()：获取主机名称。

public class InetAddressTest {public static void main(String[] args) {try {InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();System.out.println("localHost：" + localHost);String hostName = localHost.getHostName();System.out.println("hostName：" + hostName);String hostAddress = localHost.getHostAddress();System.out.println("hostAddress：" + hostAddress);InetAddress inetAddress =  InetAddress.getByName("www.jd.com");System.out.println("inetAddress：" + inetAddress);} catch (UnknownHostException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

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2.URL

（1）说明

1. 统一资源定位器，是对从互联网上 得到资源的位置 和 访问方法 的一种简单表示，是互联网上标准资源的地址；
2. 互联网上每一个文件都有唯一的 URL，包含的信息指出文件的位置以及浏览器应该如何处理；
3. 组成：协议、存放资源的主机域名、端口号、资源文件名。若未指定端口号，则使用协议默认的端口；
4. 格式：<协议>://<域名或 IP >:<端口>/<路径>。其中，<协议>://<域名或 IP > 是必需的，<端口>/<路径> 有时可省略；
5. java.net.URL 类中封装了大量复杂的涉及从远程站点获取信息的细节，可以使用它的方法对 URL 对象进行分割、合并等操作；
6. 常用方法：如下实例。

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（2）实例 

public class URLTest {public static void main(String[] args) {try {URL url = new URL("https://www.baidu.com:6666/index.html?naem=admin&password=admin123#tip");System.out.println("协议：" + url.getProtocol());System.out.println("主机：" + url.getHost());System.out.println("当前端口：" + url.getPort());System.out.println("默认端口：" + url.getDefaultPort());System.out.println("路径：" + url.getPath());System.out.println("提交给服务器的数据：" + url.getQuery());System.out.println("锚点：" + url.getRef());System.out.println("资源路径及数据：" + url.getFile());} catch (MalformedURLException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

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（3）openStream()

        使用 URL 类的 openStream() 可以打开到此 URL 的连接，并返回一个用于从该连接读入的 InputStream，即实现最简单的网络爬虫。

public class OpenStreamTest {public static void main(String[] args) {try {URL url = new URL("https://www.jd.com");InputStream inputStream = url.openStream();BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));String line;while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {System.out.println(line);}bufferedReader.close();inputStream.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

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四、TCP 与 UDP 协议

1.Socket 套接字

1. Socket 是传输层提供给应用层的编程接口；
2. 网络应用程序位于应用层，TCP 和 UDP 属于传输层的两种协议，在应用层和传输层之间使用 Socket 分离。所以 Socket 编程分为 TCP 编程 和 UDP 编程；
3. 使用 Socket 编程可以开发客户机和服务器应用程序。可以在本地网络通信，也可以通过互联网在全球范围通信。

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2.TCP 协议

（1）说明

1. 使用 TCP 协议，必须建立 TCP 连接，形成传输数据通道；
2. 传输前采用三次握手方式，属于点对点通信，面向连接，效率低；
3. 仅支持单播传输，每条 TCP 传输连接只能有两个端点，即客户端、服务端；
4. 两个端点的数据传输，采用的是字节流传输，属于可靠的数据传输；
5. 传输完毕需要释放已建立的连接，开销大、速度慢，适用于文件等传输。

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（2）三次握手（建立通道）

1. 步骤：
   1. 客户端发送 SYN（同步）数据包，包含了客户端的初始序列号（ISN）；
   2. 服务器收到 SYN 数据包后，发送 SYN-ACK（同步确认）数据包，包含了服务器的初始序列号（ISN）和对客户端 ISN 的确认号 ACK；
   3. 客户端接收到 SYN-ACK 数据包后，发送 ACK（确认）数据包，包含了对服务器 ISN 的确认号 ACK。
2. 三次握手完成后客户端和服务器就可以开始交换数据；
3. 意义：
   1. 防止客户端和服务端同时发送数据，导致数据丢失；
   2. 防止客户端和服务端重复发送数据，导致数据重复；
   3. 防止客户端和服务端乱序发送数据，导致数据乱序。

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（3）四次挥手（关闭通道）

1. 步骤：
   1. 客户端发送 FIN（结束）数据包，表示客户端已经完成数据传输，希望关闭连接；
   2. 服务器收到 FIN 数据包后，发送 ACK（确认）数据包，表示服务器已经收到客户端的 FIN 数据包，同意关闭连接；
   3. 服务器发送 FIN 数据包，表示服务器已经完成数据传输，希望关闭连接；
   4. 客户端收到 FIN 数据包后，发送 ACK（确认）数据包，表示客户端已经收到服务器的 FIN 数据包，同意关闭连接。
2. 四次挥手完成后，客户端与服务器之间的连接就关闭了；
3. 意义：
   1. 防止客户端和服务端同时关闭连接，导致数据丢失；
   2. 防止客户端和服务端重复发送数据，导致数据重复；
   3. 防止客户端和服务端乱序发送数据，导致数据乱序。

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3.UDP 协议

1.  采用数据报方式传输，即源、数据、目的。无需建立连接；

2. 每个数据报大小控制在 64 k 内，超过 64 k 可以分多个数据报发送；

3. 可以广播发送，属于 一对一、一对多、多对一 的通信协议；

4. 发送无论对方是否准备好，接收方收到也不确认，属于不可靠传输；

5. 传输完毕无需释放资源，开销小、速度快，适用于视频、直播等传输。

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4.TCP 与 UDP 区别

描述	TCP	UDP
是否建立连接	连接	不连接
传输可靠性	可靠	不可靠
连接对象个数	一对一	一对一、一对多、多对一
传输方式	字节流	报文
传输速度	慢	快
适用场景	文件、邮件 等	视频、直播 等

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五、TCP 编程

1.说明

1. 套接字是一种进程间的数据交换机制，利用套接字开发网络应用程序被广泛采用；成为了一种标准；
2. 在网络通信中，第一次主动发起通讯的程序被称作客户端（Client），第一次通讯中等待连接的程序被称作服务端（Server）。一旦通讯建立，客户端和服务端没有本质区别；
3. 套接字与主机地址和端口号相关联，主机地址是客户端或服务端程序所在的主机地址，端口地址是客户端或服务端使用的主机通信端口。在客户端和服务端分别创建 Socket，并通过 Socket 属性将两个 Socket 连接，由此客户端和服务端通过套接字建立连接并使用 IO 流进行通信。

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2.概览 

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3.Socket 类

1. 实现客户端套接字；
2. 构造方法：
   1. Socket(InetAddress a, int p)：创建套接字并连接到指定 IP 地址的指定端口。
3. 实例方法：
   1. getInetAddress()：返回此套接字连接到的远程 IP 地址；
   2. getInputStream()：返回此套接字的输入流，接收网络消息；
   3. getOutputStream()：返回此套接字的输出流，发送网络消息；
   4. shutdownInput()：禁用此套接字的输入流；
   5. shutdownOutput()：禁用此套接字的输出流；
   6. close()：关闭此套接字，默认关闭 IO 流。

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4.ServerSocket 类

1. 实现服务端套接字，服务端套接字等待请求通过网络传入，基于该请求执行某些操作，然后可能向请求者返回结果；

2.  构造方法：

   1. ServerSocket(int port)

3. 实例方法：

   1. accept()：监听要连接到此套接字并接受；

   2. getInetAddress返回此服务器套接字的本地地址；

   3. close()：关闭此套接字。

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5.向服务器发送消息实例

public class Server {public static void main(String[] args) {ServerSocket serverSocket = null;Socket clientSocket = null;BufferedReader in = null;int port = 6666;try {serverSocket = new ServerSocket(port);System.out.println("服务器启动，端口号" + port + "，等待客户端连接...");clientSocket = serverSocket.accept();in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));String message = null;while ((message = in.readLine()) != null) {System.out.println("客户端说：" + message);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {if (in != null) {try {in.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (clientSocket != null) {try {clientSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (serverSocket != null) {try {serverSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}}
}

public class Client {public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {Socket socket = null;BufferedWriter out = null;int port = 6666;InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();try {socket = new Socket(localHost, port);System.out.println("客户端启动，端口号" + port + "，等待服务器响应...");out = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.print("请向服务器发送消息：");String message = scanner.next();out.write(message + "\n");out.flush();}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {if (out != null) {try {out.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (socket != null) {try {socket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}}
}

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6.向服务器发送图片实例

public class NewServer {public static void main(String[] args) {ServerSocket serverSocket = null;Socket clientSocket = null;BufferedInputStream in = null;BufferedOutputStream out = null;BufferedWriter writer = null;int port = 7777;try {serverSocket = new ServerSocket(port);System.out.println("服务器启动，端口号" + port + "，等待客户端连接...");clientSocket = serverSocket.accept();in = new BufferedInputStream(clientSocket.getInputStream());out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(".\\testPhoto.jpg"));byte[] bytes = new byte[1024];int readCount = 0;while ((readCount = in.read(bytes)) != -1) {out.write(bytes, 0, readCount);}out.flush();writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()));writer.write("本宫已经收到你的图片了，可以退下了！\n");writer.flush();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {if (writer != null){try {writer.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (out != null) {try {out.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (in != null) {try {in.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (clientSocket != null) {try {clientSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (serverSocket != null) {try {serverSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}}
}

public class NewClient {public static void main(String[] args) {Socket clientSocket = null;BufferedOutputStream out = null;BufferedInputStream in = null;BufferedReader reader = null;int port = 7777;try {InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();clientSocket = new Socket(localHost, port);System.out.println("客户端启动，端口号" + port + "，等待服务器响应...");out = new BufferedOutputStream(clientSocket.getOutputStream());in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("D:\\swxg.jpg"));byte[] bytes = new byte[1024];int readCount = 0;while ((readCount = in.read(bytes)) != -1) {out.write(bytes, 0, readCount);}out.flush();clientSocket.shutdownOutput();reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));String message = null;while ((message = reader.readLine()) != null) {System.out.println("服务器呼叫：" + message);}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {if (reader != null) {try {reader.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (in != null) {try {in.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (out != null) {try {out.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}if (clientSocket != null) {try {clientSocket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}}
}

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 六、UDP 编程

1.说明

1. 在 UDP 协议下，两台计算机之间的数据交互不需要先建立连接。发送端直接向指定的 IP 和 port 上发送数据即可，但是不会保证对方何时收到，也并不能保证对方一定会收到；
2. java.net.DatagramSocket 和 java.net.DatagramPacket 是 UDP 编程里需要使用到的两个类。发送端和接收端都需要使用这两个类，并且发送端和接收端是两个独立运行的程序。

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2.DatagramSocket 类

1. 负责接收和发送数据，创建接收端时需要指定端口号；
2. 构造方法：
   1. DatagramSocket()：创建发送端的数据报套接字；
   2. DatagramSocket(int port)：创建接收端的数据报套接，并指定 端口号。
3. 实例方法：
   1. send(DatagramPacket p)：发送数据报；
   2. receive(DatagramPacket p)：接收数据报；
   3. close()：关闭数据报套接字。

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3.DatagramPacket 类

1. 负责将数据打包，打包类型为 byte 数组。创建发送端时需指定接收端的 IP 和 port；
2. 构造方法：
   1. DatagramPacket(byte buf[], int offset, int length)：创建接收端的数据报；
   2. DatagramPacket(byte buf[], int offset, int length, InetAddress address, int port)：创建发送端的数据报，并指定接收端的 IP 和 port。
3. 实例方法：
   1. getData()：返回数据报中存储的数据；
   2. getLength()：返回发送或接收数据报的长度。

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4. 实例

public class Receive {public static void main(String[] args) {int port = 8888;try {DatagramSocket socket = new DatagramSocket(port);byte[] bytes = new byte[1024];DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);socket.receive(packet);String message = new String(bytes, 0, packet.getLength());System.out.println("接收到消息：" + message);socket.close();} catch (SocketException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}

public class Send {public static void main(String[] args) {int port = 8888;try {InetAddress localhost = InetAddress.getLocalHost();DatagramSocket socket = new DatagramSocket();byte[] bytes = "UDP 编程，我是发送方！".getBytes();DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, 0, bytes.length, localhost, port);socket.send(packet);socket.close();} catch (SocketException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}
}