# day11【网络编程】

### 主要内容

*  软件架构CS／BS
*  网络通信三要素
*  TCP通信
*  Socket套接字
*  ServerSocket 


### 教学目标

- [ ] 能够辨别UDP和TCP协议特点
- [ ] 能够说出TCP协议下两个常用类名称
- [ ] 能够编写TCP协议下字符串数据传输程序
- [ ] 能够理解TCP协议下文件上传案例
- [ ] 能够理解TCP协议下BS案例

## 第一章 网络编程入门

### 1.1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、迅雷等软件。

![](img/1_cs.jpg)

**B/S结构** ：全称为Browser/Server结构，是指浏览器和服务器结构。常见浏览器有谷歌、火狐等。

![](img/2_bs.jpg)

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，实现两台计算机的通信的程序。

### 1.2 网络通信协议

* **网络通信协议：**通信协议是对计算机必须遵守的规则，只有遵守这些规则，计算机之间才能进行通信。这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样，协议中对数据的传输格式、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，最终完成数据交换。


* **TCP/IP协议：** 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。

![](img/3_tcp_ip.jpg)

### 1.3 协议分类

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：

- **TCP**：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。TCP协议是**面向连接**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。
  - 三次握手：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。
    - 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。整个交互过程如下图所示。

![](img/4_tcp.jpg)

​    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。

- **UDP**：用户数据报协议(User Datagram Protocol)。UDP协议是一个**面向无连接**的协议。传输数据时，不需要建立连接，不管对方端服务是否启动，直接将数据、数据源和目的地都封装在数据包中，直接发送。每个数据包的大小限制在64k以内。它是不可靠协议，因为无连接，所以传输速度快，但是容易丢失数据。日常应用中,例如视频会议、QQ聊天等。

### 1.4 网络编程三要素

#### 协议

* **协议：**计算机网络通信必须遵守的规则，已经介绍过了，不再赘述。

#### IP地址

* **IP地址：指互联网协议地址（Internet Protocol Address）**，俗称IP。IP地址用来给一个网络中的计算机设备做唯一的编号。假如我们把“个人电脑”比作“一台电话”的话，那么“IP地址”就相当于“电话号码”。

**IP地址分类**

* IPv4：是一个32位的二进制数，通常被分为4个字节，表示成`a.b.c.d` 的形式，例如`192.168.65.100` 。其中a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数，那么最多可以表示42亿个。

* IPv6：由于互联网的蓬勃发展，IP地址的需求量愈来愈大，但是网络地址资源有限，使得IP的分配越发紧张。有资料显示，全球IPv4地址在2011年2月分配完毕。

  为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间，采用128位地址长度，每16个字节一组，分成8组十六进制数，表示成`ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789`，号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个网址，这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。

**常用命令**

* 查看本机IP地址，在控制台输入：

```java
ipconfig
```

* 检查网络是否连通，在控制台输入：

```java
ping 空格 IP地址
ping 220.181.57.216
```

**特殊的IP地址**

* 本机IP地址：`127.0.0.1`、`localhost` 。

#### 端口号

网络的通信，本质上是两个进程（应用程序）的通信。每台计算机都有很多的进程，那么在网络通信时，如何区分这些进程呢？

如果说**IP地址**可以唯一标识网络中的设备，那么**端口号**就可以唯一标识设备中的进程（应用程序）了。

* **端口号：用两个字节表示的整数，它的取值范围是0~65535**。其中，0~1023之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用，普通的应用程序需要使用1024以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用，会导致当前程序启动失败。

利用`协议`+`IP地址`+`端口号` 三元组合，就可以标识网络中的进程了，那么进程间的通信就可以利用这个标识与其它进程进行交互。

## 第二章 TCP通信程序

### 2.1 概述

TCP通信能实现两台计算机之间的数据交互，通信的两端，要严格区分为客户端（Client）与服务端（Server）。

**两端通信时步骤：**

1. 服务端程序，需要事先启动，等待客户端的连接。
2. 客户端主动连接服务器端，连接成功才能通信。服务端不可以主动连接客户端。

**在Java中，提供了两个类用于实现TCP通信程序：**

1. 客户端：`java.net.Socket` 类表示。创建`Socket`对象，向服务端发出连接请求，服务端响应请求，两者建立连接开始通信。
2. 服务端：`java.net.ServerSocket` 类表示。创建`ServerSocket`对象，相当于开启一个服务，并等待客户端的连接。

### 2.2 Socket类  

`Socket` 类：该类实现客户端套接字，套接字指的是两台设备之间通讯的端点。

#### 构造方法

* `public Socket(String host, int port)` :创建套接字对象并将其连接到指定主机上的指定端口号。如果指定的host是null ，则相当于指定地址为回送地址。  

  > 小贴士：回送地址(127.x.x.x) 是本机回送地址（Loopback Address），主要用于网络软件测试以及本地机进程间通信，无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，立即返回，不进行任何网络传输。

构造举例，代码如下：

```java
Socket client = new Socket("127.0.0.1", 6666);
```

#### 成员方法

* `public InputStream getInputStream()` ： 返回此套接字的输入流。
  * 如果此Scoket具有相关联的通道，则生成的InputStream 的所有操作也关联该通道。
  * 关闭生成的InputStream也将关闭相关的Socket。
* `public OutputStream getOutputStream()` ： 返回此套接字的输出流。
  * 如果此Scoket具有相关联的通道，则生成的OutputStream 的所有操作也关联该通道。
  * 关闭生成的OutputStream也将关闭相关的Socket。
* `public void close()` ：关闭此套接字。
  * 一旦一个socket被关闭，它不可再使用。
  * 关闭此socket也将关闭相关的InputStream和OutputStream 。 
* `public void shutdownOutput()` ： 禁用此套接字的输出流。   
  * 任何先前写出的数据将被发送，随后终止输出流。 

### 2.3 ServerSocket类

`ServerSocket`类：这个类实现了服务器套接字，该对象等待通过网络的请求。

#### 构造方法

* `public ServerSocket(int port)` ：使用该构造方法在创建ServerSocket对象时，就可以将其绑定到一个指定的端口号上，参数port就是端口号。

构造举例，代码如下：

```java
ServerSocket server = new ServerSocket(6666);
```

#### 成员方法

* `public Socket accept()` ：侦听并接受连接，返回一个新的Socket对象，用于和客户端实现通信。该方法会一直阻塞直到建立连接。 


### 2.4 简单的TCP网络程序	

#### TCP通信分析图解

1. 【服务端】启动,创建ServerSocket对象，等待连接。
2. 【客户端】启动,创建Socket对象，请求连接。
3. 【服务端】接收连接,调用accept方法，并返回一个Socket对象。
4. 【客户端】Socket对象，获取OutputStream，向服务端写出数据。
5. 【服务端】Scoket对象，获取InputStream，读取客户端发送的数据。

> 到此，客户端向服务端发送数据成功。

![](img/5_简单通信.jpg)

> 自此，服务端向客户端回写数据。

6. 【服务端】Socket对象，获取OutputStream，向客户端回写数据。
7. 【客户端】Scoket对象，获取InputStream，解析回写数据。
8. 【客户端】释放资源，断开连接。

#### 客户端向服务器发送数据

**服务端实现：**

```java
public class ServerTCP {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务端启动 , 等待连接 .... ");
        // 1.创建 ServerSocket对象，绑定端口，开始等待连接
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
        // 2.接收连接 accept 方法, 返回 socket 对象.
        Socket server = ss.accept();
        // 3.通过socket 获取输入流
        InputStream is = server.getInputStream();
        // 4.一次性读取数据
      	// 4.1 创建字节数组
        byte[] b = new byte[1024];
      	// 4.2 据读取到字节数组中.
        int len = is.read(b)；
        // 4.3 解析数组,打印字符串信息
        String msg = new String(b, 0, len);
        System.out.println(msg);
        //5.关闭资源.
        is.close();
        server.close();
    }
}
```

**客户端实现：**

```java
public class ClientTCP {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		System.out.println("客户端 发送数据");
		// 1.创建 Socket ( ip , port ) , 确定连接到哪里.
		Socket client = new Socket("localhost", 6666);
		// 2.获取流对象 . 输出流
		OutputStream os = client.getOutputStream();
		// 3.写出数据.
		os.write("你好么? tcp ,我来了".getBytes());
		// 4. 关闭资源 .
		os.close();
		client.close();
	}
}
```

#### 服务器向客户端回写数据

**服务端实现：**

```java
public class ServerTCP {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务端启动 , 等待连接 .... ");
        // 1.创建 ServerSocket对象，绑定端口，开始等待连接
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
        // 2.接收连接 accept 方法, 返回 socket 对象.
        Socket server = ss.accept();
        // 3.通过socket 获取输入流
        InputStream is = server.getInputStream();
        // 4.一次性读取数据
      	// 4.1 创建字节数组
        byte[] b = new byte[1024];
      	// 4.2 据读取到字节数组中.
        int len = is.read(b)；
        // 4.3 解析数组,打印字符串信息
        String msg = new String(b, 0, len);
        System.out.println(msg);
      	// =================回写数据=======================
      	// 5. 通过 socket 获取输出流
      	 OutputStream out = server.getOutputStream();
      	// 6. 回写数据
      	 out.write("我很好,谢谢你".getBytes());
      	// 7.关闭资源.
      	out.close();
        is.close();
        server.close();
    }
}
```

**客户端实现：**

```java
public class ClientTCP {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		System.out.println("客户端 发送数据");
		// 1.创建 Socket ( ip , port ) , 确定连接到哪里.
		Socket client = new Socket("localhost", 6666);
		// 2.通过Scoket,获取输出流对象 
		OutputStream os = client.getOutputStream();
		// 3.写出数据.
		os.write("你好么? tcp ,我来了".getBytes());
      	// ==============解析回写=========================
      	// 4. 通过Scoket,获取 输入流对象
      	InputStream in = client.getInputStream();
      	// 5. 读取数据数据
      	byte[] b = new byte[100];
      	int len = in.read(b);
      	System.out.println(new String(b, 0, len));
		// 6. 关闭资源 .
      	in.close();
		os.close();
		client.close();
	}
}
```

## 第三章 综合案例

### 3.1 文件上传案例

#### 文件上传分析图解

1. 【客户端】输入流，从硬盘读取文件数据到程序中。
2. 【客户端】输出流，写出文件数据到服务端。
3. 【服务端】输入流，读取文件数据到服务端程序。
4. 【服务端】输出流，写出文件数据到服务器硬盘中。

![](img/6_upload.jpg)    

##### 基本实现

**服务端实现：**

```java
public class FileUpload_Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务器 启动.....  ");
        // 1. 创建服务端ServerSocket
      	ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
  		// 2. 建立连接 
        Socket accept = serverSocket.accept();
      	// 3. 创建流对象
      	// 3.1 获取输入流,读取文件数据
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
        // 3.2 创建输出流,保存到本地 .
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("copy.jpg"));
		// 4. 读写数据
        byte[] b = new byte[1024 * 8];
        int len;
        while ((len = bis.read(b)) != -1) {
            bos.write(b, 0, len);
        }
        //5. 关闭 资源
        bos.close();
        bis.close();
        accept.close();
        System.out.println("文件上传已保存");
    }
}
```

**客户端实现：**

```java
public class FileUPload_Client {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1.创建流对象
        // 1.1 创建输入流,读取本地文件  
        BufferedInputStream bis  = new BufferedInputStream(new FileInputStream("test.jpg"));
        // 1.2 创建输出流,写到服务端 
        Socket socket = new Socket("localhost", 6666);
        BufferedOutputStream   bos   = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());

        //2.写出数据. 
        byte[] b  = new byte[1024 * 8 ];
        int len ; 
        while (( len  = bis.read(b))!=-1) {
            bos.write(b, 0, len);
            bos.flush();
        }
        System.out.println("文件发送完毕");
        // 3.释放资源

        bos.close(); 
        socket.close();
        bis.close(); 
        System.out.println("文件上传完毕 ");
	}
}
```

#### 文件上传优化分析

1. **文件名称写死的问题**

   服务端，保存文件的名称如果写死，那么最终导致服务器硬盘，只会保留一个文件，建议使用系统时间优化，保证文件名称唯一，代码如下：

```java
FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis()+".jpg") // 文件名称
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);
```

2. **循环接收的问题**

   服务端，指保存一个文件就关闭了，之后的用户无法再上传，这是不符合实际的，使用循环改进，可以不断的接收不同用户的文件，代码如下：

```java
// 每次接收新的连接,创建一个Socket
while（true）{
    Socket accept = serverSocket.accept();
    ......
}
```

3. **效率问题**

   服务端，在接收大文件时，可能耗费几秒钟的时间，此时不能接收其他用户上传，所以，使用多线程技术优化，代码如下：

```java
while（true）{
    Socket accept = serverSocket.accept();
    // accept 交给子线程处理.
    new Thread(() -> {
      	......
        InputStream bis = accept.getInputStream();
      	......
    }).start();
}
```

##### 优化实现

```java
public class FileUpload_Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务器 启动.....  ");
        // 1. 创建服务端ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
      	// 2. 循环接收,建立连接
        while (true) {
            Socket accept = serverSocket.accept();
          	/* 
          	3. socket对象交给子线程处理,进行读写操作
               Runnable接口中,只有一个run方法,使用lambda表达式简化格式
            */
            new Thread(() -> {
                try (
                    //3.1 获取输入流对象
                    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
                    //3.2 创建输出流对象, 保存到本地 .
                    FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis() + ".jpg");
                    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);) {
                    // 3.3 读写数据
                    byte[] b = new byte[1024 * 8];
                    int len;
                    while ((len = bis.read(b)) != -1) {
                      bos.write(b, 0, len);
                    }
                    //4. 关闭 资源
                    bos.close();
                    bis.close();
                    accept.close();
                    System.out.println("文件上传已保存");
                } catch (IOException e) {
                  	e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}
```

#### 信息回写分析图解

前四步与基本文件上传一致.

5. 【服务端】获取输出流，回写数据。
6. 【客户端】获取输入流，解析回写数据。

![](img/6_upload2.jpg)

##### 回写实现

```java
public class FileUpload_Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务器 启动.....  ");
        // 1. 创建服务端ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        // 2. 循环接收,建立连接
        while (true) {
            Socket accept = serverSocket.accept();
          	/*
          	3. socket对象交给子线程处理,进行读写操作
               Runnable接口中,只有一个run方法,使用lambda表达式简化格式
            */
            new Thread(() -> {
                try (
                    //3.1 获取输入流对象
                    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(accept.getInputStream());
                    //3.2 创建输出流对象, 保存到本地 .
                    FileOutputStream fis = new FileOutputStream(System.currentTimeMillis() + ".jpg");
                    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fis);
                ) {
                    // 3.3 读写数据
                    byte[] b = new byte[1024 * 8];
                    int len;
                    while ((len = bis.read(b)) != -1) {
                        bos.write(b, 0, len);
                    }

                    // 4.=======信息回写===========================
                    System.out.println("back ........");
                    OutputStream out = accept.getOutputStream();
                    out.write("上传成功".getBytes());
                    out.close();
                    //================================

                    //5. 关闭 资源
                    bos.close();
                    bis.close();
                    accept.close();
                    System.out.println("文件上传已保存");
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}
```

**客户端实现：**

```java
public class FileUpload_Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1.创建流对象
        // 1.1 创建输入流,读取本地文件
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("test.jpg"));
        // 1.2 创建输出流,写到服务端
        Socket socket = new Socket("localhost", 6666);
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());

        //2.写出数据.
        byte[] b  = new byte[1024 * 8 ];
        int len ;
        while (( len  = bis.read(b))!=-1) {
            bos.write(b, 0, len);
        }
      	// 关闭输出流,通知服务端,写出数据完毕
        socket.shutdownOutput();
        System.out.println("文件发送完毕");
        // 3. =====解析回写============
        InputStream in = socket.getInputStream();
        byte[] back = new byte[20];
        in.read(back);
        System.out.println(new String(back));
        in.close();
        // ============================

        // 4.释放资源
        socket.close();
        bis.close();
    }
}
```