计算机网络 --- 网络编程

x33g5p2x  于2022-04-10 转载在 其他  
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1. 网络编程

1.1 什么是网络编程

网络编程 : 指网络上的主机,通过不同的进程,以编程的方式实现网络通信.
简单来说: 网络编程就是通过代码的方式来控制不同进程间能够进行数据交互.

1.2 发送端和接收端

发送端:数据的发送方进程,称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机。
接收端:数据的接收方进程,称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机。
收发端发送端和接收端两端,也简称为收发端

1.3 请求和响应

请求(Request) : 客户端给服务端发送的数据
响应(Response) : 服务端给客户端返回的数据

1.4 客户端和服务端

客户端 : 主动发送请求的一方
服务端 : 被动接受请求的一方

客户端和服务端的交互方式:

  1. 一问一答,客户端发送一个请求,服务端给一个响应
  2. 一问多答,客户端发送一个请求,服务端给多个响应
  3. 多问一答,客户端发送多个请求,服务端给一个响应
  4. 多问多答,客户端发送多个请求,服务器端多个响应

2. Socket 套接字

Socket套接字,是由系统提供用于网络通信的技术,是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。基于Socket套接字的网络程序开发就是网络编程.

2.1 分类

流套接字 : 使用传输层 TCP 协议

TCP协议,(Transmission Control Protocol)
TCP的特点:

  1. 有连接
  2. 可靠传输
  3. 面向字节流
  4. 有接收缓冲区,也有发送缓冲区
  5. 大小不限
  6. 全双工

数据报接字 : 使用传输层 UDP 协议

UDP协议,(User Datagram Protocl)
UDP的特点:

  1. 无连接
  2. 不可靠传输
  3. 面向数据报
  4. 有接收缓冲区,无发送缓冲区
  5. 大小受限: 一次最多传输64k
  6. 全双工

3. UDP数据报套接字编程

3.1 DatagramSocket API

DatagramSocket 是UDP Socket, 用于发送和接收UDP数据报.

构造方法

方法签名方法说明
DatagramSocket()创建一个UDP数据报套接字的Socket,绑定到本机任意一个随机端口(一般用于客户端)
DatagramSocket(int port)创建一个UDP数据报套接字的Socket,绑定到本机指定的端口(一般用于服务端)

方法

方法签名方法说明
void receive(DatagramPacket p)从此套接字接收数据报(如果没有接收到数据报,该方法会阻塞等待)
void send(DatagramPacket p)从此套接字发送数据报包(不会阻塞等待,直接发送)
void close()关闭此数据报套接字

3.2 DatagramPacket API

DatagramPacket是UDP Socket发送和接收的数据报.

构造方法

方法签名方法说明
DatagramPacket(byte[] buf, int length)构造一个DatagramPacket以用来接收数据报,接收的数据保存在字节数组(第一个参数buf)中,接收指定长度(第二个参数length)
DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length,SocketAddress address)构造一个DatagramPacket以用来发送数据报,发送的数据为字节数组(第一个参数buf)中,从0到指定长度(第二个参数length)。address指定目的主机的IP和端口号

方法

方法签名方法说明
InetAddress getAddress()从接收的数据报中,获取发送端主机IP地址;或从发送的数据报中,获取接收端主机IP地址
int getPort()从接收的数据报中,获取发送端主机的端口号;或从发送的数据报中,获取接收端主机端口号
byte[] getData()获取数据报中的数据

注: 构造UDP发送的数据报时,需要传入 SocketAddress ,该对象可以使用 InetSocketAddress 来创建。
InetSocketAddress的构造方法

方法签名方法说明
InetSocketAddress(InetAddress addr, int port)创建一个Socket地址,包含IP地址和端口号

3.3 基本使用方法:

服务端:

  1. 创建一个 DatagramSocket 对象,创建的同时关联一个端口号
  2. 读取请求 并解析
  3. 根据请求计算响应
  4. 把响应写回到客户端
  5. 打印日志

客户端

  1. 创建一个 DatagramSocket 对象,创建的同时指定服务器的ip和端口号
  2. 读取输入的数据
  3. 构造请求 并 发送给服务器
  4. 从服务器读取响应
  5. 把数据显示给用户

使用示例: 一发一收

代码示例: UdpServer

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;

public class UdpEchoServer {
    private DatagramSocket socket = null;

    public UdpEchoServer(int port) throws SocketException {
        this.socket = new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动!");
        while (true) {
            // 1. 读取请求 并 解析
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);
            String request = new String(requestPacket.getData(),0, requestPacket.getLength());
            // 2. 根据请求计算响应
            String response = process(request);
            // 3. 把响应写回到客户端
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                                                                requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            // 4. 打印日志
            String log = String.format("[%s:%d] req: %s; resp: %s",requestPacket.getAddress().toString(),
                                                                requestPacket.getPort(),request,response);
            System.out.println(log);
        }
    }

    private String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoServer server = new UdpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

代码示例: UdpClient

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

public class UdpEchoClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp;
    private int serverPort;

    public UdpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
        this.socket = new DatagramSocket();
    }

    public void start() throws IOException {
        while (true) {
            // 1. 读取输入数据
            System.out.print("->");
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            String request = sc.next();
            if(request.equals("exit")){
                System.out.println("exit");
                break;
            }

            // 2. 构造请求 并 发送给服务器
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),0,request.getBytes().length,
                                                        InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);

            // 3. 读取服务器的响应 并 解析
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(),0, responsePacket.getLength());

            // 4.显式给用户
            String log = String.format("req: %s; resp: %s",request,response);
            System.out.println(log);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpEchoClient client = new UdpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}

运行结果:

使用示例: 翻译程序

客户端 输入需要查找的英文的请求
客户端 返回对应的英文翻译的响应
代码示例: UdpServer

package Translation;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.SocketException;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class UdpTranslateServer {
    private DatagramSocket socket = null;
    private Map<String,String> map = new HashMap<>();

    public UdpTranslateServer(int port) throws SocketException {
        this.socket = new DatagramSocket(port);
        map.put("translate","翻译");
        map.put("china","中国");
        map.put("hello","你好");
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动!");
        while (true) {
            // 1. 读取请求并解析
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);
            String request = new String(requestPacket.getData(),0, requestPacket.getLength());
            // 2. 根据请求计算响应
            String response = process(request);
            // 3. 把响应写回给客户端
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                                                                requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            // 4. 打印日志
            String log = String.format("[%s:%d] req: %s; resp: %s",requestPacket.getAddress().toString(),
                                        requestPacket.getPort(),request,response);
            System.out.println(log);
        }
    }

    private String process(String request) {
        return map.getOrDefault(request,"查无此单词");
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpTranslateServer server = new UdpTranslateServer(9090);
        server.start();
    }
}

代码示例: UDPClient

package Translation;

import java.io.IOException;
import java.net.*;
import java.util.Scanner;

public class UdpTranslateClient {
    private DatagramSocket socket = null;
    private String serverIp;
    private int serverPort;

    public UdpTranslateClient (String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
        socket = new DatagramSocket();
    }

    public void start() throws IOException {
        while (true) {
            System.out.print("->");
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            // 1. 根据用户的输入 构造请求
            String request = sc.next();
            if(request.equals("exit")){
                System.out.println("exit!");
                return;
            }
            // 2. 发送请求给服务器
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
                                                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            // 3. 读取服务器的响应
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(),0, responsePacket.getLength());
            System.out.println(response);
            // 4. 解析响应并显式
            String log = String.format("req: %s; resp: %s",request,response);
            System.out.println(log);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        UdpTranslateClient client = new UdpTranslateClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}

运行结果:

4. TCP流套接字编程

4.1 ServerSocket API

构造方法

方法签名方法说明
ServerSocket(int port)创建一个服务端流套接字Socket,并绑定到指定端口

方法

方法签名方法说明
Socket accept()开始监听指定端口(创建时绑定的端口),有客户端连接后,返回一个服务端Socket对象,并基于该Socket建立与客户端的连接,否则阻塞等待
void close()关闭此套接字

4.2 Socket API

构造方法

方法签名方法说明
Socket(String host, int port)创建一个客户端流套接字Socket,并与对应IP的主机上,对应端口的进程建立连接

方法

方法签名方法说明
InetAddress getInetAddress()返回套接字所连接的地址
InputStream getInputStream()返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()返回此套接字的输出流

4.3 基本使用方法

服务器

  1. 创建ServerSocket 关联上一个端口号
  • 调用 ServerSocketaccept 方法

  • 目的是 建立连接

  • 会返回一个 Socket 实例,称为 clientSocket

  • 使用 clientSocketgetInputStreamgetOutputStream 得到字节流对象,进行读写和写入

  • 读取请求 并 解析

  • 根据请求计算响应

  • 把响应写回客户端

  • 打印日志

  • 当客户端断开连接之后,服务器就应该要及时的关闭 clientSocket. (防止出现文件泄露的情况)

客户端

  1. 创建一个 Socket 对象.创建的同时指定服务器的 ip端口
  • 客户端就可以通过 Socket 对象的 getInputStreamgetOutputStream 来和服务器进行通信

  • 从键盘上,读取用户输入的内容

  • 把这个读取的内容构造成请求,发送给服务端

  • 从服务器读取响应并解析

  • 把结构显示到界面上

使用示例1: 一发一收

这里的是普通版本 不能处理多个客户端

代码示例: TCPClient

package TCP;

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

public class TcpEchoClient {
    private Socket socket = null;
    private String serverIp;
    private int serverPort;

    public TcpEchoClient(String serverIp,int serverPort) throws IOException {
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
        // 让 socket 创建的同时,就和服务器尝试建立连接
        this.socket = new Socket(serverIp,serverPort);
    }

    public void start() {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
            while (true) {
                // 1. 从键盘上,读取用户输入的内容
                System.out.print("->");
                String request = scanner.next();
                if (request.equals("exit")){
                    break;
                }
                // 2. 把这个读取的内容构造成请求,发送给服务器
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(request);
                printWriter.flush();
                // 3. 从服务器读取响应并解析
                Scanner respScanner = new Scanner(inputStream);
                String response = respScanner.next();
                // 4. 把结果显示到界面上
                String log = String.format("req: %s; resp: %s",request,response);
                System.out.println(log);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoClient client = new TcpEchoClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}

代码示例: TCPServer

package TCP;

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

public class TcpEchoServer {
    private ServerSocket listenSocket = null;

    public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
        listenSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动!");
        while (true) {
            // 1. 建立连接
            Socket clientSocket = listenSocket.accept(); // 没有客户端来就会 阻塞等待
            processConnection(clientSocket);
        }
    }

    private void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        String log = String.format("[%s:%d] 客户端上线!",
                clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
        System.out.println(log);
        try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
            OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()) {
            while (true) {
                // 1. 读取请求并解析
                Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
                if(!scanner.hasNext()){
                    log = String.format("[%s:%d] 客户端下线",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
                    System.out.println(log);
                    break;
                }
                String request = scanner.next();
                // 2. 根据请求计算响应
                String response = process(request);
                // 3. 把响应写回给客户端
                PrintWriter writer = new PrintWriter(outputStream);
                writer.println(response);
                writer.flush();

                log = String.format("[%s:%d] req: %s; resp: %s",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(),request,response);
                System.out.println(log);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            clientSocket.close();
        }
    }

    private String process(String request) {
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpEchoServer server =  new TcpEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

使用示例2: 多个客户端发 一个服务器收

多线程版本,能处理多个客户端,但是需要频繁的创建销毁线程
代码示例 TCPServer (客户端一致)

package TCPThread;

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

public class TcpThreadEchoServer {
    private ServerSocket listenSocket = null;

    public TcpThreadEchoServer(int port) throws IOException {
        listenSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动!");
        while (true) {
            Socket clientSocket = listenSocket.accept();
            // 创建一个线程来给这个客户提供服务
            Thread t = new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        processConnection(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            };
            t.start();
        }
    }
    public void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        // 1. 打印日志
        String log = String.format("[%s,%d] 客户端上线",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
        System.out.println(log);
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){
            while (true) {
                // 1. 读取 请求 并 解析
                Scanner sc = new Scanner(inputStream);
                if(!sc.hasNext()){
                    log = String.format("[%s,%d] 客户端下线",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
                    System.out.println(log);
                    break;
                }
                String request = sc.next();
                // 2. 根据请求计算响应
                String response = process(request);
                // 3. 把响应写回客户端
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(response);
                printWriter.flush();
                // 4. 打印日志
                log = String.format("[%s:%d] req: %s; resp: %s",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(),request,response);
                System.out.println(log);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            clientSocket.close();
        }
    }

    public String process(String request){
        return request;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpThreadEchoServer server = new TcpThreadEchoServer(9090);
        server.start();
    }
}

使用示例3: 多个客户端发 一个服务器收(优化版)

由于多线程版的创建销毁线程的开销太大,这里使用线程池的方法.

package TCPThread;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class TcpThreadPoolEchoServer {
    private ServerSocket listenSocket = null;

    public TcpThreadPoolEchoServer(int port) throws IOException {
        listenSocket = new ServerSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动");
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        while (true) {
            Socket clientSocket = listenSocket.accept();
            // 使用线程池 来 处理当前的 processConnextion
            executorService.submit(()-> {
                try {
                    processConnection(clientSocket);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
    public void processConnection(Socket clientSocket) throws IOException {
        // 1. 打印日志
        String log = String.format("[%s,%d] 客户端上线",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
        System.out.println(log);
        try (InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
             OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){
            while (true) {
                // 1. 读取 请求 并 解析
                Scanner sc = new Scanner(inputStream);
                if(!sc.hasNext()){
                    log = String.format("[%s,%d] 客户端下线",clientSocket.getInetAddress().toString(),clientSocket.getPort());
                    System.out.println(log);
                    break;
                }
                String request = sc.next();
                // 2. 根据请求计算响应
                String response = process(request);
                // 3. 把响应写回客户端
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                printWriter.println(response);
                printWriter.flush();
                // 4. 打印日志
                log = String.format("[%s:%d] req: %s; resp: %s",clientSocket.getInetAddress().toString(),
                        clientSocket.getPort(),request,response);
                System.out.println(log);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            clientSocket.close();
        }
    }

    public String process(String request){
        return request;
    }

}

运行结果

使用示例4: 翻译程序

代码示例: TCPServer (这里的客户端还是跟前面一样)

package Translation;

import TCPThread.TcpThreadPoolEchoServer;

import java.io.IOException;
import java.util.HashMap;

// echo 和 translate 两个服务器之间,大多都是类似的
public class TcpTranslateServer extends TcpThreadPoolEchoServer {
    private HashMap<String,String> map = new HashMap<>();

    public TcpTranslateServer(int port) throws IOException {
        super(port);
        map.put("china","中国");
        map.put("hello","你好");
        map.put("translate","翻译");
    }

    @Override
    public String process(String request) {
        return map.getOrDefault(request,"查无此单词!");
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TcpTranslateServer server = new TcpTranslateServer(9090);
        server.start();
    }
}

运行结果:

5. 网络计算器(自定义协议)

我们自定义协议
请求 : 字符串类型 操作数1;操作数2;运算符
响应 : 字符串类型 计算响应

服务端代码

package Calculator;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;

public class CalcServer {
    private DatagramSocket socket = null;

    public CalcServer(int port) throws SocketException {
        socket = new DatagramSocket(port);
    }

    public void start() throws IOException {
        System.out.println("服务器启动!");
        while (true){
            // 1. 读取请求并解析
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(requestPacket);
            String request = new String(requestPacket.getData(),0,requestPacket.getLength());
            // 2. 跟据请求计算响应
            String response = process(request);
            // 3. 把响应写回给客户端
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(response.getBytes(),response.getBytes().length,
                                                            requestPacket.getSocketAddress());
            socket.send(responsePacket);
            // 4. 打印日志
            String log = String.format("[%s:%d] req: %s; resp: %s",requestPacket.getAddress().toString(),
                                    requestPacket.getPort(),request,response);
            System.out.println(log);
        }
    }

    private String process(String request) {
        // 分离
        String[] str = request.split(";");
        if(str.length != 3) return "[请求的格式出错!]";
        int num1 = Integer.parseInt(str[0]);
        int num2 = Integer.parseInt(str[1]);
        if(str[2].equals("+")){
            return num1+num2+"";
        }else if(str[2].equals("-")){
            return num1-num2+"";
        }else if(str[2].equals("*")){
            return (num1 * num2)+"";
        }else if(str[2].equals("/")){
            return (num1 / num2)+"";
        }
        return "[请求格式出错!操作符不支持!]";
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        CalcServer server = new CalcServer(9090);
        server.start();
    }
}

客户端代码

package Calculator;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.SocketException;
import java.util.Scanner;

public class CalcClient {
    private String serverIp;
    private int serverPort;
    private DatagramSocket socket = null;

    public CalcClient(String serverIp,int serverPort) throws SocketException {
        this.serverIp = serverIp;
        this.serverPort = serverPort;
        socket = new DatagramSocket();
    }

    public void start() throws IOException {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            // 1. 用户输入的请求
            System.out.print("请输入操作数1: ");
            int num1 = sc.nextInt();
            System.out.print("请输入操作数2: ");
            int num2 = sc.nextInt();
            System.out.print("请输入运算符: ");
            String operator = sc.next();
            String request = num1+";"+num2+";"+operator;
            // 2. 构造请求,并发给服务器
            DatagramPacket requestPacket = new DatagramPacket(request.getBytes(),0,request.getBytes().length,
                    InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
            socket.send(requestPacket);
            // 3. 从服务器中读取响应
            DatagramPacket responsePacket = new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
            socket.receive(responsePacket);
            String response = new String(responsePacket.getData(),0,responsePacket.getLength());

            // 4. 将结果显示到屏幕上
            String log = String.format("req: %s; resp: %s",request,response);
            System.out.println(log);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        CalcClient client = new CalcClient("127.0.0.1",9090);
        client.start();
    }
}

运行结果:

《新程序员》:云原生和全面数字化实践

50位技术专家共同创作,文字、视频、音频交互阅读

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