【JAVA基礎之網絡編程】UDP和TCP協議以及三次握手和四次揮手的過程

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目錄

1. 網絡編程

1.1? 概述

1.2? 網絡編程的三要素

1.2.1? IP地址

1.2.2? InetAddress

1.2.3? 端口和協議

1.3? UDP協議

1.3.1? UDP發送數據

1.3.2? UDP接收數據

1.4? TCP協議

1.4.1? TCP協議實例

1.4.2? 三次握手，四次揮手

1. 網絡編程

1.1? 概述

概述：在網絡通信協議下，不同計算機上運行的程序，進行數據的傳輸

java.net包中可以看見常見的網絡應用程序API

常見的軟件架構：

C/S：Client / Server? ?客戶端 / 服務器

  • 需要用戶下載并安裝客戶端程序，在遠程有一個服務器程序
  • 優缺點：
    • 畫面可以做的比較精美，用戶體驗好(不需要網絡傳輸，數據來源于安裝包)
    • 需要開發客戶端，也需要開發服務端
    • 用戶需要下載和更新的時候太麻煩?

B/S：Browser / Server? 瀏覽器 /? 服務器

  • 只需要一個瀏覽器，通過訪問不同的網址實現操作程序，客戶訪問不同的服務器
  • 優缺點：
    • 不需要開發客戶端，只需要頁面 + 服務器
    • 用戶不需要下載，打開瀏覽器就能使用
    • 如果應用過大，用戶體驗將受到影響(因為數據進行網絡傳輸效率比較低)

1.2? 網絡編程的三要素

IP：設備在網絡中的地址，是唯一標識

端口號：應用程序在設備中的唯一標識

協議：數據在網絡中的傳輸規則，常見的協議有UDP，TCP，HTTP，HTTPS，FTP

1.2.1? IP地址

IP地址分為兩大類：

  • IPv4：是給每個連接在網絡上的主機分配一個32bit地址。按照TCP/IP規定，IP地址用二進制來表示，每個IP地址長32bit，也就是4個字節。例如一個采用二進制形式的IP地址是“11000000 10101000 00000001 01000010”，這么長的地址，處理起來也太費勁了。為了方便使用，IP地址經常被寫成十進制的形式，中間使用符號“.”分隔不同的字節。于是，上面的IP地址可以表示為“192.168.1.66”。IP地址的這種表示法叫做“點分十進制表示法”，這顯然比1和0容易記憶得多，最多有2^32次方個IP

  • IPv6：由于互聯網的蓬勃發展，IP地址的需求量愈來愈大，但是網絡地址資源有限，使得IP的分配越發緊張。為了擴大地址空間，通過IPv6重新定義地址空間，采用128位地址長度，每16個字節一組，分成8組十六進制數，每一組用分號隔開，這樣就解決了網絡地址資源數量不夠的問題，最多有2^128次方個IP、

DOS常用命令：

  • ipconfig：查看本機IP地址

  • ping IP地址：檢查網絡與目標主機是否能連通

特殊IP地址：

  • 127.0.0.1：是回送地址，可以代表本機地址LocalHost，一般用來測試使用

疑問：假設192.168.1.100是我的電腦IP，那么這個IP跟127.0.0.1是一樣嗎？

不一樣，192.168.1.100和127.0.0.1不是一樣的IP地址。192.168.1.100是局域網內的私有IP地址，用于在局域網中標識設備。而127.0.0.1是本地回環地址，用于在同一臺設備內部進行通信。當你的計算機嘗試連接127.0.0.1時，它實際上是在嘗試與自己通信，而不是與網絡上的其他設備通信。

疑問：公網地址(萬維網使用)和私有地址(局域網使用)的區別？

公網地址和私有地址之間的主要區別在于它們的可訪問性和范圍。公網地址是全球唯一的IP地址，用于在互聯網上唯一標識設備和進行通信。私有地址則是在局域網內使用的地址，不會在互聯網上進行路由，因此不能直接從互聯網上訪問。私有地址用于在局域網內部進行通信，而通過路由器進行網絡地址轉換（NAT），可以允許多個設備共享單個公網IP地址來訪問互聯網。

1.2.2? InetAddress

InetAddress?是 Java 編程語言中用于表示 IP 地址的類。它提供了一種將 IP 地址和主機名相互轉換的方式。通過?InetAddress?類，可以實現網絡通信中的主機名解析、IP 地址解析等功能。

成員方法：

1.2.3? 端口和協議

  • 端口

    • 設備上應用程序的唯一標識

  • 端口號

    • 用兩個字節表示的整數，它的取值范圍是0~65535。其中，0~1023之間的端口號用于一些知名的網絡服務和應用，普通的應用程序需要使用1024以上的端口號。如果端口號被另外一個服務或應用所占用，會導致當前程序啟動失敗

  • 協議

    • 計算機網絡中，連接和通信的規則被稱為網絡通信協議

  • UDP協議

    • 用戶數據報協議(User Datagram Protocol)

    • UDP是無連接通信協議，即在數據傳輸時，數據的發送端和接收端不建立邏輯連接。簡單來說，當一臺計算機向另外一臺計算機發送數據時，發送端不會確認接收端是否存在，就會發出數據，同樣接收端在收到數據時，也不會向發送端反饋是否收到數據。

    • 由于使用UDP協議消耗系統資源小，通信效率高，所以通常都會用于音頻、視頻和普通數據的傳輸

    • 速度快，有大小限制一次最多發送64K，數據不安全，易丟失數據

    • 例如視頻會議通常采用UDP協議，因為這種情況即使偶爾丟失一兩個數據包，也不會對接收結果產生太大影響。但是在使用UDP協議傳送數據時，由于UDP的面向無連接性，不能保證數據的完整性，因此在傳輸重要數據時不建議使用UDP協議

  • TCP協議

    • 傳輸控制協議 (Transmission Control Protocol)

    • TCP協議是面向連接的通信協議，即傳輸數據之前，在發送端和接收端建立邏輯連接，然后再傳輸數據，它提供了兩臺計算機之間可靠無差錯的數據傳輸。在TCP連接中必須要明確客戶端與服務器端，由客戶端向服務端發出連接請求，每次連接的創建都需要經過“三次握手”

    • 速度慢，沒有大小限制，數據安全

    • 三次握手：TCP協議中，在發送數據的準備階段，客戶端與服務器之間的三次交互，以保證連接的可靠

      第一次握手，客戶端向服務器端發出連接請求，等待服務器確認

      第二次握手，服務器端向客戶端回送一個響應，通知客戶端收到了連接請求

      第三次握手，客戶端再次向服務器端發送確認信息，確認連接

    • 完成三次握手，連接建立后，客戶端和服務器就可以開始進行數據傳輸了。由于這種面向連接的特性，TCP協議可以保證傳輸數據的安全，所以應用十分廣泛。例如上傳文件、下載文件、瀏覽網頁等

1.3? UDP協議

1.3.1? UDP發送數據

構造方法：

成員方法：

發送數據的步驟

  • 創建發送端的Socket對象(DatagramSocket)

  • 創建數據，并把數據打包(DatagramPacket)

  • 調用DatagramSocket對象的方法發送數據(send)

  • 關閉發送端

代碼演示：

public class Send {public static void main(String[] args) throws IOException {/*** 創建發送端的Socket對象(DatagramSocket)* 創建數據，并把數據打包(DatagramPacket)* 調用DatagramSocket對象的方法發送數據(send)* 關閉發送端*///這里參數如果沒有端口號,系統會自動分配一個端口號DatagramSocket socket = new DatagramSocket(10000);String str = "龍顏大怒666";byte[] bytes = new byte[1024];bytes = str.getBytes();DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes,bytes.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"),10086);socket.send(packet);socket.close();}
}

1.3.2? UDP接收數據

構造方法：

成員方法：

接收數據的步驟

  • 創建接收端的Socket對象(DatagramSocket)

  • 創建一個數據包，用于接收數據(DatagramPacket)

  • 調用DatagramSocket對象的方法接收數據(receive)

  • 解析數據包，并把數據在控制臺顯示

  • 關閉接收端

代碼演示：

public class Receive {public static void main(String[] args) throws IOException {/*** 創建接收端的Socket對象(DatagramSocket)* 創建一個數據包，用于接收數據(DatagramPacket)* 調用DatagramSocket對象的方法接收數據(receive)* 解析數據包，并把數據在控制臺顯示* 關閉接收端*///注意：這里的端口號一定要與發送端中的數據包端口一致,不然會收不到數據DatagramSocket socket = new DatagramSocket(10086);byte[] bytes = new byte[1024];DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes,bytes.length);//這個方法會一直等待發送端發送信息過來,直到拿到數據才會取消阻塞socket.receive(packet);byte[] data = packet.getData();InetAddress address = packet.getAddress();int port = packet.getPort();System.out.println("數據：" + new String(data,0,packet.getLength()) + " 主機IP：" + address + " 端口號：" + port);socket.close();}
}輸出結果：數據：龍顏大怒666 主機IP：/127.0.0.1 端口號：10000

1.4? TCP協議

1.4.1? TCP協議實例

代碼演示：

public class Client {public static void main(String[] args) throws IOException {//創建socket對象//細節：在創建對象同時會連接服務端//如果連接不上代碼會報錯Socket socket = new Socket("127.0.0.1",10000);//創建socket的輸出流通道OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();//寫入數據outputStream.write("你好呀".getBytes());//關閉資源socket.close();outputStream.close();}
}

public class Server {public static void main(String[] args) throws IOException {//這里的端口號要跟客戶端的Socket保持一致ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10000);//這里會阻塞等待客戶端發送信息Socket socKet = serverSocket.accept();//通過socket獲取輸入流通道InputStream inputStream = socKet.getInputStream();//解決中文亂碼問題InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(inputStream);BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);int len;while ((len = bufferedReader.read()) != -1) {System.out.print((char) len);}//關閉資源serverSocket.close();socKet.close();}
}

1.4.2? 三次握手，四次揮手

三次握手：為了確保連接的建立

四次揮手：確保連接斷開，且數據處理完畢

1.5? 綜合練習

1.5.1? 多發多送

public class Test01 {public static void main(String[] args) throws IOException {/*** 客戶端：多次發送數據* 服務端：接收多次數據,并打印*/Socket socket = new Socket("127.0.0.1",10002);OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.println("請輸入你要發送的信息：");String str = scanner.nextLine();//用戶輸入886表示退出if("886".equals(str)){break;}outputStream.write(str.getBytes());}//關閉資源outputStream.close();socket.close();}
}public class TestServer01 {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10002);Socket socket = serverSocket.accept();BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));int len;while((len = bufferedReader.read()) != -1){System.out.print((char)len);}//關閉資源socket.close();serverSocket.close();}
}

1.5.2? 接收并反饋

public class Test02 {public static void main(String[] args) throws IOException {/*** 客戶端：發送一條數據,接收服務端反饋的消息并打印* 服務端：接收數據并打印,再給客戶端反饋信息*/Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(),10003);Scanner scanner = new Scanner(System.in);OutputStream os = socket.getOutputStream();System.out.println("請輸入要發給服務端的信息：");String str = scanner.nextLine();os.write(str.getBytes());//細節：這里需要一個結束標記,服務端那邊讀取才知道結束socket.shutdownOutput();InputStreamReader isr = new InputStreamReader(socket.getInputStream());int len;while ((len = isr.read()) != -1){System.out.print((char)len);}socket.close();}
}public class TestServer02 {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10003);Socket socket = serverSocket.accept();InputStreamReader isr = new InputStreamReader(socket.getInputStream());int len;//細節：//read方法從連接通道讀取數據//但是需要一個結束標記循環才會停止//否則,程序就會一直停在read方法這里,等待讀取下面的數據while ((len = isr.read()) != -1){System.out.print((char)len);}OutputStream os = socket.getOutputStream();os.write("收到客戶端的信息".getBytes());socket.close();serverSocket.close();}
}

1.5.3? 上傳練習

public class Test03 {public static void main(String[] args) throws IOException {/*** 案例需求：* 客戶端：數據來自于本地文件，接收服務器反饋* 服務器：接收到的數據寫入本地文件，給出反饋*/Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 10000);byte[] bytes = new byte[1024];int len;//這種方式效率比較低//FileInputStream fis = new FileInputStream("D:\\img\\0a3b3288-3446-4420-bbff-f263d0c02d8e.jpg");//OutputStream os = socket.getOutputStream();//緩存流可以降低磁盤IO次數BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("source/0a3b3288-3446-4420-bbff-f263d0c02d8e.jpg"));BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());//發送數據while ((len = bis.read(bytes)) != -1){bos.write(bytes,0,len);}//設置結束標記socket.shutdownOutput();//接收數據InputStreamReader isr = new InputStreamReader(socket.getInputStream());while ((len = isr.read()) != -1){System.out.print((char)len);}socket.close();}
}public class TestServer03 {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10000);Socket socket = serverSocket.accept();InputStream is = socket.getInputStream();byte[] bytes = new byte[1024];int len;//效率低//FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("D:\\test\\a.jpg"));//這里需要解決文件名重復問題,導致原先的文件會被后面的覆蓋,用UUID來解決//System.out.println(UUID.randomUUID());//72e165ae-98ad-4cd4-80e9-c9f86b910461,我們一般看到的效果是沒有"-"的,需要處理一下String name = UUID.randomUUID().toString().replace("-", "");//BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("img\\a.jpg"));BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("img\\" + name + ".jpg"));//邊讀邊寫while((len = is.read(bytes)) != -1){bos.write(bytes,0,len);}//發送數據OutputStream os = socket.getOutputStream();os.write("收到數據啦".getBytes());socket.close();serverSocket.close();}
}

1.5.4? 服務器改寫成多線程，以及線程優化

服務器只能處理一個客戶端請求，接收完一個圖片之后，服務器就關閉了。

優化方案一：使用循環

弊端：第一個用戶正在上傳數據，第二個用戶就來訪問了，此時第二個用戶是無法成功上傳的。

所以，使用多線程改進

優化方案二：使用循環 + 多線程

每來一個用戶，就開啟多線程處理

public class Test04 {public static void main(String[] args) throws IOException {/*** 案例需求：* 客戶端：數據來自于本地文件，接收服務器反饋* 服務器：接收到的數據寫入本地文件，給出反饋*/Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 10000);byte[] bytes = new byte[1024];int len;//這種方式效率比較低//FileInputStream fis = new FileInputStream("D:\\img\\0a3b3288-3446-4420-bbff-f263d0c02d8e.jpg");//OutputStream os = socket.getOutputStream();//緩存流可以降低磁盤IO次數BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("source/0a3b3288-3446-4420-bbff-f263d0c02d8e.jpg"));BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream());//發送數據while ((len = bis.read(bytes)) != -1){bos.write(bytes,0,len);}//設置結束標記socket.shutdownOutput();//接收數據InputStreamReader isr = new InputStreamReader(socket.getInputStream());while ((len = isr.read()) != -1){System.out.print((char)len);}socket.close();}
}public class TestServer04 {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10000);ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(3,//核心線程數量16,//線程池總大小60,//空閑時間TimeUnit.SECONDS,//空閑時間（單位）new ArrayBlockingQueue<>(2),//隊列Executors.defaultThreadFactory(),//線程工廠，讓線程池如何創建線程對象new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()//阻塞隊列);while (true) {//等待客戶端連接Socket socket = serverSocket.accept();//一個用戶對應一條線程//new Thread(new MyRunnable(socket)).start();//線程池進行優化poolExecutor.submit(new MyRunnable(socket));}}
}public class MyRunnable implements Runnable {private Socket socket;public MyRunnable(Socket socket) {this.socket = socket;}@Overridepublic void run() {try {InputStream is = socket.getInputStream();byte[] bytes = new byte[1024];int len;//效率低//FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("D:\\test\\a.jpg"));//這里需要解決文件名重復問題,導致原先的文件會被后面的覆蓋,用UUID來解決//System.out.println(UUID.randomUUID());//72e165ae-98ad-4cd4-80e9-c9f86b910461,我們一般看到的效果是沒有"-"的,需要處理一下String name = UUID.randomUUID().toString().replace("-", "");//BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("img\\a.jpg"));BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("img\\" + name + ".jpg"));//邊讀邊寫while ((len = is.read(bytes)) != -1) {bos.write(bytes, 0, len);}//發送數據OutputStream os = socket.getOutputStream();os.write("上傳成功".getBytes());} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {if (socket != null) {try {socket.close();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}}}

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