Java学习路线（21）——网络通信

news2024/11/17 3:43:33

一、网络通信三件套
1、IP地址： 设备在网络中的地址，唯一标识

  • 概念： Internet Protocal，简称为IP，全称“互联网协议地址”。

  • 常见分类： IPv4（32位） 和 IPv6（128位）

  • IP地址形式： 公网地址和私网地址（局域网），以192.168为开头的地址为常见的局域网地址。

  • 查看IP地址命令 ipconfig（windows）：查看本机IP;ifconfig（linux/mac）

  • 查看IP是否通信： ping IP或是 ping 域名

  • 特殊IP地址： 127.0.0.1 或者 localhost，称为回送地址也称为本地回环地址，只会寻找当前本机

  • IP操作类-InetAddress

  • API方法

方法说明
static InetAddress getLocalHost()返回本主机的地址对象
static InetAddress getByName(String host)获取指定主机的IP地址对象，参数是域名或者IP地址
static String getHostName()返回IP地址的主机名
static String getHostAddress()返回IP地址字符串
static boolean isReachable(int timeout)在指定毫秒内连接IP地址对应的主机，连通返回true
  • 使用示例
public class InetAddressDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            /*1、获取本机地址对象*/
            InetAddress inetAddress = InetAddress.getLocalHost();
            System.out.println(inetAddress.toString());

            /*2、获取域名IP对象*/
            InetAddress inetAddress1 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
            System.out.println(inetAddress1.toString());

            /*3、获取主机名*/
            String hostname = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
            System.out.println(hostname);

            /*4、获取公网IP地址*/
            String ip = InetAddress.getLocalHost().getHostAddress();
            System.out.println(ip);

            /*5、判断IP是否能通信*/
            boolean isPing = InetAddress.getByName("192.168.137.1").isReachable(5000);
            System.out.println(isPing);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

/*打印输出*/
LAPTOP-76LAVL3O/192.168.xxx.xxx
www.baidu.com/180.101.50.242
LAPTOP-76LAVL3O
192.168.xxx.xxx
true

2、端口： 应用程序在设备中的唯一标识。

  • 概念： 标识正在计算机设备上运行的进程，被规定为一个16位的二进制，范围是0~65535
  • 端口类型：
    • 常用端口： 0~1023，例如HTTP：80，FTP：21
    • 注册端口（主要端口对象）： 1024~49151，分配给用户进程或某些应用程序。如Tomcat：8080,MySQL：3306
    • 动态端口： 49152~65535，动态分配进程。

3、协议： 数据在网络中传输的规则

  • 概念： 连接和通信数据的规则称为网络通信规则。
  • 通信协议的两套参考模型：对照计算机网络对两种模型的介绍
    • OSI参考模型： 理想化的世界互联协议标准
    • TCP/IP参考模型： 事实上的国际标准
  • 常见协议

    • TCP协议（Transmission Control Protocol）：传输控制协议

      • TCP协议特点：
        （1） 使用TCP，双方必须先建立连接，它是一种面向连接的可靠通信协议。
        （2） 传输前，采用 “三次握手” 方式建立连接，所以是可靠的。
        （3） 在连接中可以进行大量传输。
        （4） 连接、发送数据都需要确认，且传输完毕后，还需要释放连接，通信效率较低。
        • TCP协议通信场景： 对信息安全要求较高的场景，比如文件下载、金融等数据通信。
        • 三次握手：
          （1）第一次握手： 客户端向服务器发送连接请求，等待确认。
          （2）第二次握手： 服务器向客户端返回一个响应，向客户端确认收到连接请求。
          （3）第三次握手： 客户端向服务器发送确认信息，连接正式建立。
        • 为什么需要三次握手？ 因为客户端和服务器要相互验证通信是否通畅，若有一次握手没有通过，则连接不建立。
        • 四次挥手断开连接
          （1）第一次挥手： 客户端向服务器发送取消连接请求
          （2）服务器向客户端返回一个响应表示收到请求
          （3）服务器向客户端发送确认取消信息
          （4）客户端向服务器发送确认信息，连接正式取消

    • UDP（User Datagram Protocol）：用户数据报协议

      • UDP的特点
        （1）UDP是一种无连接、不可靠的传输协议
        （2）将数据源IP、目标IP和端口封装成数据包，不需要建立连接
        （3）每个数据包大小限制在64KB内
        （4）发送不管对方是否准备好，接收方收到也不确认，故是不可靠的
        （5）可以广播发生，发送数据后无需释放资源，开销小，速度快
      • UDP使用场景： 语音通话，视频会话，直播等等…

二、UDP通信

1、数据包对象DatagramPacket创建

构造器说明
DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port )创建发送端数据包对象：buf——发送的内容，length——发送内容的字节长度，address——接收端的IP地址，port——接收端的端口号
DatagramPacket(byte[] buf, int length )创建接收端数据包对象：buf——接收内容，length——接收最大字节长度

2、发送端和接收端对象DatagramSocket创建

构造器说明
DatagramSocket()创建发送端的Socket对象，系统随机分配端口号
DatagramSocket(int port)创建接收端对象并指定端口号

3、发送/接收端对象操作数据包

方法说明
void send(DatagramPacket dp)发送数据包
void receive(DatagramPacket p)接收数据包

（1）单收单发数据示例

/*发送端*/
public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建发送对象
            DatagramSocket sender = new DatagramSocket();
            //2、数据包对象
            byte[] buf = "UDP数据报".getBytes();
            DatagramPacket data = new DatagramPacket(buf,buf.length, InetAddress.getLocalHost(),8888);
            //3、发送数据
            sender.send(data);

        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

/*接收端*/
class ServerDemo{
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建接收对象
            DatagramSocket accepter = new DatagramSocket(8888);
            //2、接收数据包对象
            byte[] buf = new byte[1024];
            DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(buf,buf.length);
            accepter.receive(datagramPacket);
            //3、打印数据
            System.out.println(new String(buf,0,datagramPacket.getLength()));
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

/*打印输出*/
UDP数据报

（2）多发多收示例

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建发送对象
            DatagramSocket sender = new DatagramSocket();
            byte[] buf;
            Scanner in = new Scanner(System.in);
            String message;
            DatagramPacket data;
            while(!(message = in.next()).equals("exit")) {
                //2、数据包对象
                buf = message.getBytes();
                data = new DatagramPacket(buf, buf.length, InetAddress.getLocalHost(), 8888);
                //3、发送数据
                sender.send(data);
            }

            message = "exit";
            buf = message.getBytes();
            data = new DatagramPacket(buf, buf.length, InetAddress.getLocalHost(), 8888);
            sender.send(data);

        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

class ServerDemo{
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建接收对象
            DatagramSocket accepter = new DatagramSocket(8888);
            //2、接收数据包对象
            byte[] buf = new byte[1024];
            DatagramPacket datagramPacket;
            while(true){
                datagramPacket = new DatagramPacket(buf,buf.length);
                accepter.receive(datagramPacket);
                if (new String(buf,0,datagramPacket.getLength()).equals("exit")) {
                    System.out.println("会话已结束");
                    break;
                }
                //3、打印数据
                System.out.println(new String(buf,0,datagramPacket.getLength()));
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

结果显示
在这里插入图片描述

问：实验中如何实现多端口通讯

答：事实上，我们可以直接使用不同的端口直接向接收端发送数据。

结果如图所示
在这里插入图片描述
4、UDP通信——广播、组播
（1）三种UDP通信方式

  • 单播： 单台主机与单台主机之间通信。
  • 广播： 当前主机与所在网络中的所有主机通信。
  • 组播： 当前主机与选定主机组通信

（2）UDP实现广播

  • 广播地址：255.255.255.255
  • 操作过程
    • 发送端发送的数据包目的地址是广播地址，且指定端口9999。
    • 本机所在网段的其它主机的程序只要匹配端口成功就可以收到消息
public class BroadCastDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建发送对象
            DatagramSocket sender = new DatagramSocket();
            byte[] buf;
            Scanner in = new Scanner(System.in);
            String message;
            DatagramPacket data;
            while(!(message = in.next()).equals("exit")) {
                //2、数据包对象
                buf = message.getBytes();
                data = new DatagramPacket(buf, buf.length, InetAddress.getByName("255.255.255.255"), 9999);
                //3、发送数据
                sender.send(data);
            }

            message = "exit";
            buf = message.getBytes();
            data = new DatagramPacket(buf, buf.length, InetAddress.getByName("255.255.255.255"), 9999);
            sender.send(data);

        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

/*实验组*/
class ServerDemo1{
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建接收对象
            DatagramSocket accepter = new DatagramSocket(9999);
            //2、接收数据包对象
            byte[] buf = new byte[1024];
            DatagramPacket datagramPacket;
            while(true){
                datagramPacket = new DatagramPacket(buf,buf.length);
                accepter.receive(datagramPacket);
                if (new String(buf,0,datagramPacket.getLength()).equals("exit")) {
                    System.out.println("会话已结束");
                    break;
                }
                //3、打印数据
                System.out.println("IP地址:" + datagramPacket.getAddress() + ":" + datagramPacket.getPort() + "发送数据：" + new String(buf,0,datagramPacket.getLength()));
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

/*对照组*/
class ServerDemo2{
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建接收对象
            DatagramSocket accepter = new DatagramSocket(8888);
            //2、接收数据包对象
            byte[] buf = new byte[1024];
            DatagramPacket datagramPacket;
            while(true){
                datagramPacket = new DatagramPacket(buf,buf.length);
                accepter.receive(datagramPacket);
                if (new String(buf,0,datagramPacket.getLength()).equals("exit")) {
                    System.out.println("会话已结束");
                    break;
                }
                //3、打印数据
                System.out.println("IP地址:" + datagramPacket.getAddress() + ":" + datagramPacket.getPort() + "发送数据：" + new String(buf,0,datagramPacket.getLength()));
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

效果图
在这里插入图片描述
（3）UDP实现组播

  • 组播地址： 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
  • 具体操作
    • 发送端数据包目的地址是组播IP（例如：224.0.1.1:9999）
    • 接收端必须绑定组播IP
    • DatagramSocket的子类MulticastSocket绑定组播IP
  • 示例
public class MutiCastDemo {
    public static void main(String[] args) {
        /*1、创建发送对象*/
        try {
            DatagramSocket sender = new DatagramSocket();
            DatagramPacket data;
            String message;
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            byte[] buf;
            while(!(message = scanner.next()).equals("exit")){
                buf = message.getBytes();
                data = new DatagramPacket(buf, buf.length, InetAddress.getByName("224.0.1.1"),9999);
                sender.send(data);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

class ServerDemo3{
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建接收对象
            MulticastSocket accepter = new MulticastSocket(9999);

            //绑定组播
            accepter.joinGroup(InetAddress.getByName("224.0.1.1"));

            //2、接收数据包对象
            byte[] buf = new byte[1024];
            DatagramPacket datagramPacket;
            while(true){
                datagramPacket = new DatagramPacket(buf,buf.length);
                accepter.receive(datagramPacket);
                if (new String(buf,0,datagramPacket.getLength()).equals("exit")) {
                    System.out.println("会话已结束");
                    break;
                }
                //3、打印数据
                System.out.println("IP地址:" + datagramPacket.getSocketAddress() + "发送数据：" + new String(buf,0,datagramPacket.getLength()));
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

class ServerDemo4{
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、创建接收对象
            MulticastSocket accepter = new MulticastSocket(9999);
            //绑定组播
            accepter.joinGroup(InetAddress.getByName("224.0.1.1"));
            //2、接收数据包对象
            byte[] buf = new byte[1024];
            DatagramPacket datagramPacket;
            while(true){
                datagramPacket = new DatagramPacket(buf,buf.length);
                accepter.receive(datagramPacket);
                if (new String(buf,0,datagramPacket.getLength()).equals("exit")) {
                    System.out.println("会话已结束");
                    break;
                }
                //3、打印数据
                System.out.println("IP地址:" + datagramPacket.getSocketAddress() + "发送数据：" + new String(buf,0,datagramPacket.getLength(),StandardCharsets.UTF_8));
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

效果图
在这里插入图片描述

三、TCP通信
（1）实现方法：
TCP通信是通过C/S双方建立Socekt通道

  • 客户端

创建构造器

构造器说明
Socket(String host, int port)常见发送端的Socket对象与服务端连接，参数为服务端程序的IP和端口

方法

方法说明
OutputStream getOutputStream()获取字节输出流对象
InputStream getInputStream ()获取字节输入流对象
  • 服务端

服务端构造器

构造器说明
ServerSocket(int port)注册服务端口

方法

方法说明
Socket accept()等待Socket连接，连接成功后返回Socket对象

服务器端

/*服务端*/
class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、建立通道
            ServerSocket socket = new ServerSocket(7777);

            //2、连接通道
            Socket connection = socket.accept();

            //3、读数据
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(connection.getInputStream()));

            String message;
            System.out.println(socket.getLocalSocketAddress() + " 连接成功，时间：" + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(System.currentTimeMillis()));
            while ((message = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println(socket.getInetAddress().getHostName() + "," + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(System.currentTimeMillis()) + " : " + message);
            }
        } catch (SocketException socketException) {
            System.out.println("连接已中断");
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

客户端

public class SocketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、建立通道
            Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 7777);

            //2、发送数据
            PrintStream stream = new PrintStream(socket.getOutputStream());

            //3、写入数据
            String message;
            Scanner in = new Scanner(System.in);
            while (!(message = in.next()).equals("exit")) {
                stream.println(message);
                stream.flush();
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

效果图
在这里插入图片描述
（2）多客户端连接服务端

代码实现

public class SocketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、建立通道
            Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost().getHostAddress(),7777);

            if (socket.isConnected()) System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + " 已连接！");

            //2、发送数据
            PrintStream stream = new PrintStream(socket.getOutputStream());

            //3、写入数据
            String message;
            Scanner in = new Scanner(System.in);
            while (!(message = in.next()).equals("exit")) {
                stream.println(message);
                stream.flush();
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

class client{
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、建立通道
            Socket socket = new Socket(InetAddress.getLoopbackAddress().getHostAddress(),7777);

            if (socket.isConnected()) System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + " 已连接！");

            //2、发送数据
            PrintStream stream = new PrintStream(socket.getOutputStream());

            //3、写入数据
            String message;
            Scanner in = new Scanner(System.in);
            while (!(message = in.next()).equals("exit")) {
                stream.println(message);
                stream.flush();
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("连接已中断");
        }
    }
}

class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、建立通道
            ServerSocket socket = new ServerSocket(7777);

            //2、连接通道
            while(true){
                Socket connection = socket.accept();
                new ServerServiceThread(connection,"服务器").start();
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("连接已中断");
        }
    }
}

class ServerServiceThread extends Thread{
    private Socket socket;

    public ServerServiceThread() {
    }

    public ServerServiceThread(Socket socket,String name) {
        super(name);
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        BufferedReader reader = null;
        try {
            reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String message;
            System.out.println(socket.getLocalSocketAddress() + " 连接成功，时间：" + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(System.currentTimeMillis()));
            while ((message = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println(socket.getInetAddress().getHostName() + "," + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(System.currentTimeMillis()) + " : " + message);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "已下线！");
        }
    }
}

效果图
在这里插入图片描述

（3）线程池优化实现多客户端连接服务器

以下代码仅展示修改部分


class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1、建立通道
            ServerSocket socket = new ServerSocket(7777);

            ExecutorService service = new ThreadPoolExecutor(3,10,5, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(),new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

            //2、连接通道
            while(true){
                Socket connection = socket.accept();
                service.execute(new ServerServiceThread(connection));
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("连接已中断");
        }
    }
}

class ServerServiceThread implements Runnable{
    private Socket socket;

    public ServerServiceThread() {
    }

    public ServerServiceThread(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        BufferedReader reader = null;
        try {
            reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String message;
            System.out.println(socket.getLocalSocketAddress() + " 连接成功，时间：" + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(System.currentTimeMillis()));
            while ((message = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println(socket.getInetAddress().getHostName() + "," + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(System.currentTimeMillis()) + " : " + message);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(socket.getRemoteSocketAddress() + "已下线！");
        }
    }
}

效果图
在这里插入图片描述
注意：我们可以从效果图里看出，外网IP与内网IP连接内网服务器的速度是不一样的。
外网： 本机——运营商——本机
内网： 本机——本机

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