网络编程详解-UDP-TCP

网络编程

在网络通信协议下，不同计算机上运行的程序，可以进行数据传输

网络编程的三要素是IP地址、端口和协议。具体分析如下：

IP地址：IP地址是网络中每一台计算机的唯一标识，它类似于现实生活中的家庭住址，用于在网络中找到具体的设备。IP地址是由数字组成的，通常以点分十进制的形式表示，例如192.168.1.1。
端口：端口号用于标识设备上运行的具体应用程序。一台计算机上可能同时运行多个网络应用，端口号就是用来区分这些应用的。端口号是一个16位的数字，范围从0到65535。其中，0到1023的端口号被保留作为知名端口，通常用于标准的网络服务。
协议：协议定义了数据在网络中传输的规则，它决定了数据的格式、传输方式以及接收后的处理方式。常见的网络协议包括传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等。不同的协议适用于不同类型的网络通信需求。

总的来说，在进行网络编程时，开发者需要根据应用的需求选择合适的协议，并使用正确的IP地址和端口号来建立和维护网络连接。这三要素共同构成了网络通信的基础，确保了数据能够准确地在网

IP地址

IP地址：是网络中设备的唯一标识

IPv4：是给每个连接在网络上的主机分配一个32bit地址。按照TCP/IP规定，IP地址用二进制来表示，每个IP地址长32bit，也就是4个字节。例如一个采用二进制形式的IP地址是“11000000 10101000 00000001 01000010”，这么长的地址，处理起来也太费劲了。为了方便使用，IP地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号“.”分隔不同的字节。于是，上面的IP地址可以表示为“192.168.1.66”。IP地址的这种表示法叫做“点分十进制表示法”，这显然比1和0容易记忆得多

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。为了扩大地址空间，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，这样就解决了网络地址资源数量不够的问题

DOS常用命令：

ipconfig：查看本机IP地址
ping IP地址：检查网络是否连通

特殊IP地址：

127.0.0.1：是回送地址，可以代表本机地址，一般用来测试使用

络中传输和到达目的地。

InetAddress

InetAddress：此类表示Internet协议（IP）地址

相关方法

方法名	说明
static InetAddress getByName(String host)	确定主机名称的IP地址。主机名称可以是机器名称，也可以是IP地址
String getHostName()	获取此IP地址的主机名
String getHostAddress()	返回文本显示中的IP地址字符串

端口和协议

端口
- 设备上应用程序的唯一标识
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
协议
- 计算机网络中，连接和通信的规则被称为网络通信协议

UDP协议
- 用户数据报协议(User Datagram Protocol)
- UDP是无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据。
- 由于使用UDP协议消耗系统资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输
- 例如视频会议通常采用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。但是在使用UDP协议传送数据时，由于UDP的面向无连接性，不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议
TCP协议
- 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。在TCP连接中必须要明确客户端与服务器端，由客户端向服务端发出连接请求，每次连接的创建都需要经过“三次握手”
- 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
- 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。例如上传文件、下载文件、浏览网页等

Java实现UDP通信

思路和图源来自

https://www.bilibili.com/video/BV17F411T7Ao

UDP发送数据

Java中的UDP通信

UDP协议是一种不可靠的网络协议，它在通信的两端各建立一个Socket对象，但是这两个Socket只是发送，接收数据的对象，因此对于基于UDP协议的通信双方而言，没有所谓的客户端和服务器的概念
Java提供了DatagramSocket类作为基于UDP协议的Socket

构造方法

方法名	说明
DatagramSocket()	创建数据报套接字并将其绑定到本机地址上的任何可用端口
DatagramPacket(byte[] buf,int len,InetAddress add,int port)	创建数据包,发送长度为len的数据包到指定主机的指定端口

相关方法

方法名	说明
void send(DatagramPacket p)	发送数据报包
void close()	关闭数据报套接字
void receive(DatagramPacket p)	从此套接字接受数据报包

发送数据的步骤

创建发送端的Socket对象(DatagramSocket)
创建数据，并把数据打包
调用DatagramSocket对象的方法发送数据
关闭发送端

UDP接收数据

接收数据的步骤

创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
创建一个数据包，用于接收数据
调用DatagramSocket对象的方法接收数据
解析数据包，并把数据在控制台显示
关闭接收端

构造方法

方法名	说明
DatagramPacket(byte[] buf, int len)	创建一个DatagramPacket用于接收长度为len的数据包

相关方法

方法名	说明
byte[] getData()	返回数据缓冲区
int getLength()	返回要发送的数据的长度或接收的数据的长度


public class ReceiveMessageDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10086);
        //创建一个数据包，用于接收数据
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        //调用DatagramSocket对象的方法接收数据
        //该方法是阻塞的
        //程序执行到这一步的时候,会一直等
        //等发送端发送消息
        ds.receive(dp);
        //解析数据包，并把数据在控制台显示
        byte[] data = dp.getData();
        int len = dp.getLength();
        InetAddress address = dp.getAddress();
        int port = dp.getPort();
 
        System.out.println("接收到" + new String(data, 0, len));
        System.out.println("该数据从" + address + "这台电脑" + port + "端口发出");
 
        //释放
        ds.close();
 
 
    }
}


public class SendMessageDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //发送数据
 
        //1.创建发送端的Socket对象(DatagramSocket)
        // DatagramSocket() 构造数据报套接字并将其绑定到本地主机上的任何可用端口
        //空参:所有可用的端口中随机一个进行使用
        //有参:指定端口号进行绑定
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
 
        //打包数据
        String str = "你好";
        byte[] bytes = str.getBytes();
        InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
        int port = 10086;
 
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port);
 
        //发送数据
        ds.send(dp);
 
        //释放资源
        ds.close();
    }
}

UDP三种通讯方式

单播

单播用于两个主机之间的端对端通信
组播

组播用于对一组特定的主机进行通信
广播

广播用于一个主机对整个局域网上所有主机上的数据通信


public class MulticastDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建组播socket
        MulticastSocket socket = new MulticastSocket(8888);
        // 加入组播组
        InetAddress group = InetAddress.getByName("230.0.0.1");
        socket.joinGroup(group);
 
        // 发送数据
        String msg = "Hello, multicast!";
        byte[] buffer = msg.getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length, group, 8888);
        socket.send(packet);
 
        // 接收数据
        byte[] data = new byte[1024];
        DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(data, data.length);
        socket.receive(receivePacket);
        String receiveMsg = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());
        System.out.println("Received message: " + receiveMsg);
 
        // 退出组播组并关闭socket
        socket.leaveGroup(group);
        socket.close();
    }
}

UDP广播实现

实现步骤
- 发送端
  1. 创建发送端Socket对象(DatagramSocket)
  2. 创建存储数据的箱子,将广播地址封装进去
  3. 发送数据
  4. 释放资源
- 接收端
  1. 创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
  2. 创建一个数据包，用于接收数据
  3. 调用DatagramSocket对象的方法接收数据
  4. 解析数据包，并把数据在控制台显示
  5. 关闭接收端

代码实现


// 发送端
public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
      	// 1. 创建发送端Socket对象(DatagramSocket)
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
		// 2. 创建存储数据的箱子,将广播地址封装进去
        String s = "广播 hello";
        byte[] bytes = s.getBytes();
        InetAddress address = InetAddress.getByName("255.255.255.255");
        int port = 10000;
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes,bytes.length,address,port);
		// 3. 发送数据
        ds.send(dp);
		// 4. 释放资源
        ds.close();
    }
}


// 接收端
public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10000);
        // 2. 创建一个数据包，用于接收数据
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(new byte[1024],1024);
        // 3. 调用DatagramSocket对象的方法接收数据
        ds.receive(dp);
        // 4. 解析数据包，并把数据在控制台显示
        byte[] data = dp.getData();
        int length = dp.getLength();
        System.out.println(new String(data,0,length));
        // 5. 关闭接收端
        ds.close();
    }
}

TCP发送数据

Java中的TCP通信

Java对基于TCP协议的的网络提供了良好的封装，使用Socket对象来代表两端的通信端口，并通过Socket产生IO流来进行网络通信。
Java为客户端提供了Socket类，为服务器端提供了ServerSocket类

构造方法

方法名	说明
Socket(InetAddress address,int port)	创建流套接字并将其连接到指定IP指定端口号
Socket(String host, int port)	创建流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号

相关方法

方法名	说明
InputStream getInputStream()	返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()	返回此套接字的输出流

示例代码


public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //TCP协议，发送数据
 
        //1.创建Socket对象
        //细节：在创建对象的同时会连接服务端
        //      如果连接不上，代码会报错
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 10086);
 
        //可以从连接通道中获取输出流
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        //写出数据
        outputStream.write("aaa".getBytes());
        //3.释放资源
        outputStream.close();
        socket.close();
 
    }
}

TCP接收数据

构造方法

方法名说明
ServletSocket(int port) 创建绑定到指定端口的服务器套接字
相关方法

方法名说明
Socket accept() 监听要连接到此的套接字并接受它
注意事项
1. accept方法是阻塞的,作用就是等待客户端连接
2. 客户端创建对象并连接服务器,此时是通过三次握手协议,保证跟服务器之间的连接
3. 针对客户端来讲,是往外写的,所以是输出流针对服务器来讲,是往里读的,所以是输入流
4. read方法也是阻塞的
5. 客户端在关流的时候,还多了一个往服务器写结束标记的动作
6. 最后一步断开连接,通过四次挥手协议保证连接终止

方法名	说明
ServletSocket(int port)	创建绑定到指定端口的服务器套接字

方法名	说明
Socket accept()	监听要连接到此的套接字并接受它

示例代码


public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //TCP协议，接收数据
 
        //1.创建对象ServerSocker
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);
 
        //2.监听客户端的链接
        Socket socket = ss.accept();
 
        //3.从连接通道中获取输入流读取数据
        InputStream is = socket.getInputStream();
        int b;
        while ((b = is.read()) != -1){
            System.out.println((char) b);
        }
 
        //4.释放资源
        socket.close();
        ss.close();
    }
}


public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //TCP协议，接收数据
 
        //1.创建对象ServerSocker
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);
 
        //2.监听客户端的链接
        Socket socket = ss.accept();
 
        //3.从连接通道中获取输入流读取数据
        InputStream is = socket.getInputStream();
        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is);
        BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
 
        // BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
 
        int b;
        while ((b = br.read()) != -1){
            System.out.print((char) b);
        }
 
        //4.释放资源
        socket.close();
        ss.close();
 
    }
}

三次握手和四次挥手

三次握手和四次挥手是TCP协议中建立和断开连接的过程。

三次握手：
- 第一次握手：客户端发送一个SYN包（同步序列编号）到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。
- 第二次握手：服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ack=SYN_received+1），同时自己也发送一个SYN包（SYN=SYN_received），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。
- 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK（ack=SYN_received+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
四次挥手：
- 第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送。
- 第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1。
- 第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送。
- 第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

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