Socket网络编程（代码实现）

Socket网络编程主要分为UDP协议编程和TCP协议编程，下面将会从网络编程概述、UDP编程代码实现和TCP编程代码实现三个方面来全面介绍Socket网络编程。

1、网络编程概述

（1）软件编程2种结构

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、百度云、酷狗音乐软件。

B/S结构：全称为Browser/Server结构，是指浏览器和服务器结构。常见淘宝网、网易、微博等

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。

（2）网络通信协议

网络通信协议： 通过计算机网络可以使多台计算机实现连接，位于同一个网络中的计算机在进行连接和通信时需要遵守一定的规则，这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样。在计算机网络中，这些连接和通信的规则被称为网络通信协议，它对数据的传输格式、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才能完成数据交换。

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。

上图中，TCP/IP协议中的四层分别是应用层、传输层、网络层和链路层，每层分别负责不同的通信功能。
链路层：链路层是用于定义物理传输通道，通常是对某些网络连接设备的驱动协议，例如针对光纤、网线提供的驱动。
网络层：网络层是整个TCP/IP协议的核心，它主要用于将传输的数据进行分组，将分组数据发送到目标计算机或者网络。
运输层：主要使网络程序进行通信，在进行网络通信时，可以采用TCP协议，也可以采用UDP协议。
应用层：主要负责应用程序的协议，例如HTTP协议、FTP协议等。

（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：

UDP：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都使用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。UDP的交换过程如下图所示

特点:数据被限制在64kb以内，超出这个范围就不能发送了。

数据报(Datagram):网络传输的基本单位

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。

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。整个交互过程如下图所示。
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。

2、UDP编程

（1）概述：

UDP协议（用户数据报协议）是无连接的、不可靠的、无序的,速度快

进行数据传输时，首先将要传输的数据定义成数据报（Datagram），大小限制在64k，在数据报中指明数据索要达到的Socket（主机地址和端口号），然后再将数据报发送出去

（2）类DatagramSocket

此类表示用来发送和接收数据报包的套接字。

构造方法：
- public DatagramSocket()：构造数据报套接字并将其绑定到本地主机上任何可用的端口
- public DatagramSocket(int port)：创建数据报套接字并将其绑定到本地主机上的指定端口
- public DatagramSocket(int port,InetAddress laddr)：创建数据报套接字，将其绑定到指定的本地地址
方法：
- public void send(DatagramPacket p)：从此套接字发送数据报包。DatagramPacket 包含的信息指示：将要发送的数据、其长度、远程主机的 IP 地址和远程主机的端口号。
- public void receive(DatagramPacket p)：从此套接字接收数据报包。当此方法返回时，DatagramPacket 的缓冲区填充了接收的数据。数据报包也包含发送方的 IP 地址和发送方机器上的端口号

（3）类 DatagramPacket

此类表示数据报包。

构造方法：
- public DatagramPacket(byte[] buf,int length)：构造 DatagramPacket，用来接收长度为 length 的数据包。
- public DatagramPacket(byte[] buf,int length,InetAddress address,int port)：构造数据报包，用来将长度为 length 的包发送到指定主机上的指定端口号
方法：
- public byte[] getData()：返回数据缓冲区。接收到的或将要发送的数据从缓冲区中的偏移量 offset 处开始，持续 length 长度。
- public int getLength()：返回将要发送或接收到的数据的长度。

（3）UDP编程步骤：

发送数据步骤：

1.创建发送端的Socket对象

2.创建数据并打包

3.发送数据

4.释放资源

public class UdpSender {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 设置端口号
        int port = 9999;
        // 设置Ip地址(自己电脑的IP地址)
        InetAddress address = InetAddress.getByName("192.168.x.xxx");
        
        // 1.发送端的Socket对象
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        
        // 发送信息
        String message = "孩儿，我是你爸爸，咱们爷俩说说心里话";
        byte[] bytes = message.getBytes();
        int length = bytes.length;
        
        // 2.创建数据并打包
        DatagramPacket datagramSocket = new DatagramPacket(bytes, length, address, port);
        
        // 3.发送数据
        socket.send(datagramSocket);
       
        // 4.释放资源
        socket.close();
    }
}

接受数据步骤：

创建接收端的Socket对象
创建接收的数据包
接收数据
解析数据并显示在控制台
释放资源

public class UdpReceiver {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 设置端口
        int port = 9999;
        
        // 1.创建接收端的Socket对象
        DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(port);
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int length = bytes.length;

        // 2.创建接收的数据包

        DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes, length);
        System.out.println("正在等待接收信息…………");
        
        // 3.接收数据
        datagramSocket.receive(datagramPacket);
        byte[] data = datagramPacket.getData();
        int packetLength = datagramPacket.getLength();
        
        // 4.解析数据并显示在控制台
        String content = new String(data, 0, packetLength);
        System.out.println("接收来自发送发的信息：" + content);
        System.out.println("发送方信息长度：" + content.length());
        
        // 5.释放资源
        datagramSocket.close();
    }
}

运行结果：

3、TCP编程

（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：

服务端程序，需要事先启动，等待客户端的连接。
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：

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

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

（4）TCP通信原理：

【服务端】启动,创建ServerSocket对象，等待连接。
【客户端】启动,创建Socket对象，请求连接。
【服务端】接收连接,调用accept方法，并返回一个Socket对象。
【客户端】Socket对象，获取OutputStream，向服务端写出数据。
【服务端】Scoket对象，获取InputStream，读取客户端发送的数据。
【服务端】Socket对象，获取OutputStream，向客户端回写数据。
【客户端】Scoket对象，获取InputStream，解析回写数据。
【客户端】释放资源，断开连接。

（5）TCP编程步骤

服务端：

① 创建ServerSocket对象，绑定监听端口

② 通过accept()方法监听客户端请求

③ 获取输入流对象(Socket)

④ 通过输入流对象读取客户端信息(read)

⑤ 关闭相关资源

public class TcpServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 设定端口
        int port = 9999;

        // 1.创建ServerSocket对象，绑定监听端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
        System.out.println("等待客户端的连接…………");

        // 2.通过accept()方法监听客户端请求
        Socket socket = serverSocket.accept();
        System.out.println("连接成功！");

        // 3.获取输入流对象(Socket)
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];

        // 4.通过输入流对象读取客户端信息
        int length = inputStream.read(bytes);
        String message = new String(bytes, 0, length);
        System.out.println("来自客户端的信息：" + message);

        // 5.关闭相关资源
        inputStream.close();
        socket.close();

    }
}

客户端：
①创建Socket对象，指明需要连接的服务器的地址和端口号

② 获取输出流对象

③ 通过输出流对象像服务器写信息

④ 关闭资源

客户端向服务器端发送信息：

public class TcpClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 设定端口
        int port = 9999;
        // 设定自己电脑的Ip地址
        String host = "192.168.x.xxx";

        // 1.创建Socket对象，指明需要连接的服务器的地址和端口号
        Socket socket = new Socket(host, port);

        // 2.获取输出流对象
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        String sendMessage = "你好，我是客户端！";
        byte[] bytes = sendMessage.getBytes();

        // 3.通过获取输出流对象向服务器写信息
        outputStream.write(bytes);
        System.out.println("连接服务器端"+host+"成功，并完成发送信息！");

        // 4.关闭资源
        outputStream.close();
        socket.close();

    }
}