Java 网络编程学习笔记

Java网络编程学习笔记

网络编程概述

CS和BS架构

• CS（Client Server）：客户端-服务器架构

• BS（Browser Server）：浏览器-服务器架构

网络编程三要素

IP地址

IPv4

• 32位，点分十进制表示

• 范围：0.0.0.0 - 255.255.255.255

• 特殊地址：127.0.0.1（localhost，本地回环地址）

IPv6

• 128位，冒分十六进制表示

• 范围：0:0:0:0:0:0:0:1 - ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff

• 0位压缩表示法：FF01:0:0:0:0:0:0:1101 → FF01::1101（只能使用一次）

常用命令

• ipconfig：获取本机IP

• ping：测试IP是否可用

端口

• 端口号范围：0-65535（2字节表示）

• 0-1023：系统保留端口，不能被程序使用

• 一个端口号只能被一个应用程序使用

协议

网络协议分层

UDP协议

• 用户数据报协议（User Datagram Protocol）

• 面向无连接通信协议

• 特点：速度快，有大小限制（一次最多发送64KB数据），数据不安全，易丢失数据

TCP协议

• 传输控制协议（Transmission Control Protocol）

• 面向连接的通信协议

• 特点：速度慢，没有大小限制，数据安全

InetAddress类

InetAddress类表示互联网协议（IP）地址，封装IP地址。

常用方法

• static InetAddress getByName(String host)：确定主机名称的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

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
​
public class NetDemo {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {
        // 获取InetAddress对象
        InetAddress address = InetAddress.getByName("10.102.160.242");
        
        System.out.println(address);
        System.out.println("主机名: " + address.getHostName()); // DESKTOP-PB9U58V
        System.out.println("IP地址: " + address.getHostAddress()); // 10.102.160.242
    }
}

注意：

• InetAddress.getByName()方法根据提供的主机名进行网络查询或DNS解析

• 如果提供的是IP地址字符串，则不会进行任何网络查询或DNS解析

UDP协议

UDP单播发送示例

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.Scanner;
​
public class SendMessageDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建DatagramSocket对象
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        
        while (true) {
            System.out.println("请输入发送的数据:");
            String str = sc.nextLine();
            if ("886".equals(str)) {
                break;
            }
            
            byte[] bytes = str.getBytes();
            InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
            int port = 10086;
            
            // 打包数据
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port);
            
            // 发送数据
            ds.send(dp);
        }
        
        // 释放资源
        ds.close();
    }
}

UDP单播接收示例

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
​
public class ReceiveMessageDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建DatagramSocket对象
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10086);
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        
        while (true) {
            // 接收数据（阻塞方法）
            ds.receive(dp);
            
            // 解析数据
            byte[] data = dp.getData();
            int length = dp.getLength();
            String hostName = dp.getAddress().getHostAddress();
            String name = dp.getAddress().getHostName();
            
            System.out.println("ip为" + hostName + "的" + name + "说：" + 
                              new String(data, 0, length));
        }
    }
}

注意事项：

• 接收端需要绑定端口，且端口必须与发送端指定的端口一致

• receive()方法是阻塞的，程序会等待发送端发送消息

单播、组播和广播

组播地址

• 组播地址范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255

• 其中224.0.0.0 - 224.0.0.255为预留的组播地址

广播地址

• 广播地址：255.255.255.255

组播发送示例

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;
​
public class SendMessageDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建MulticastSocket对象
        MulticastSocket ms = new MulticastSocket();
        
        // 创建DatagramPacket对象
        String data = "hello,udp";
        byte[] bytes = data.getBytes();
        InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.0.1");
        int port = 10086;
        
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port);
        
        // 发送数据
        ms.send(dp);
        
        // 释放资源
        ms.close();
    }
}

组播接收示例

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;
​
public class ReceiveMessageDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建MulticastSocket对象
        MulticastSocket ms = new MulticastSocket(10086);
        
        // 将当前本机添加到224.0.0.1组中
        InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.0.1");
        ms.joinGroup(address);
        
        // 创建DatagramPacket对象
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        
        // 接收数据
        ms.receive(dp);
        
        // 解析数据
        byte[] data = dp.getData();
        int length = dp.getLength();
        String ip = dp.getAddress().getHostAddress();
        String name = dp.getAddress().getHostName();
        int port = dp.getPort();
        
        System.out.println("数据是: " + new String(data, 0, length));
        System.out.println("发送端的ip是: " + ip);
        System.out.println("发送端的端口是: " + port);
        System.out.println("发送端的名称是: " + name);
        
        // 释放资源
        ms.close();
    }
}

TCP协议

TCP通信程序

• 通信的两端各建立一个Socket对象

• 通信之前要保证连接已经建立

• 通过Socket对象产生IO流来进行网络通信

TCP服务器示例

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
​
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 先启动服务端
        
        // 1.创建ServerSocket对象
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10086);
        
        // 2.监听客户端连接（阻塞方法）
        Socket accept = ss.accept(); // 返回客户的连接对象
        
        // 3.从连接通道中获取输入流读取数据
        InputStream in = accept.getInputStream();
        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(in);
        
        int b;
        while ((b = isr.read()) != -1) {
            System.out.print((char) b);
        }
        
        // 4.释放资源
        in.close();
        ss.close();
    }
}

1. TCP 三次握手与四次挥手

   三次握手（建立连接）

   TCP 使用三次握手（3-way Handshake）机制来建立一条可靠的连接。这个过程确保客户端和服务器都准备好进行数据传输，并同步序列号。

   详细过程：

   步骤详解：

   1. 第一次握手（SYN）：

      • 客户端发送一个 TCP 数据包，其中：

        • SYN 标志位设置为 1（表示请求建立连接）

        • 随机生成一个序列号 Seq = J

      • 客户端进入 SYN-SENT 状态

      • 目的：客户端告诉服务器"我想建立连接，我的初始序列号是 J"

   2. 第二次握手（SYN+ACK）：

      • 服务器收到请求后，发送回应数据包，其中：

        • SYN 和 ACK 标志位都设置为 1

        • 随机生成自己的序列号 Seq = K

        • 确认号 Ack = J + 1（表示期望收到从 J+1 开始的数据）

      • 服务器进入 SYN-RCVD 状态

      • 目的：服务器说"我同意连接，我的初始序列号是 K，已收到你的请求"

   3. 第三次握手（ACK）：

      • 客户端收到回应后，发送确认数据包，其中：

        • ACK 标志位设置为 1

        • 序列号 Seq = J + 1

        • 确认号 Ack = K + 1

      • 客户端进入 ESTABLISHED 状态

      • 服务器收到后也进入 ESTABLISHED 状态

      • 目的：客户端确认"收到你的同意，我们现在可以开始通信了"

   为什么需要三次握手？

   • 防止已失效的连接请求突然传到服务器：网络延迟可能导致旧的连接请求晚到达，二次握手无法区分新旧请求

   • 同步双方序列号：确保双方都知道对方的初始序列号，为可靠传输做准备

   • 双向确认：确保客户端和服务器都有发送和接收能力

   四次挥手（断开连接）

   TCP 使用四次挥手（4-way Handshake）机制来终止连接。这个过程允许双方优雅地关闭连接，确保所有数据都传输完毕。

   详细过程：

   步骤详解：

   1. 第一次挥手（FIN）：

      • 主动关闭方（假设是客户端）发送 FIN 数据包：

        • FIN 标志位设置为 1

        • 序列号 Seq = U（等于已传送数据的最后一个字节的序号加1）

      • 客户端进入 FIN-WAIT-1 状态

      • 目的：客户端告诉服务器"我的数据发完了，准备关闭连接"

   2. 第二次挥手（ACK）：

      • 服务器收到 FIN 后，发送 ACK 回应：

        • ACK 标志位设置为 1

        • 确认号 Ack = U + 1

        • 序列号 Seq = V

      • 服务器进入 CLOSE-WAIT 状态

      • 客户端收到后进入 FIN-WAIT-2 状态

      • 目的：服务器说"收到你的关闭请求，但我可能还有数据要发给你"

   3. 第三次挥手（FIN）：

      • 服务器完成数据发送后，发送 FIN 数据包：

        • FIN 标志位设置为 1

        • 序列号 Seq = W（可能等于 V 或 V+已发送数据量）

        • 确认号 Ack = U + 1

      • 服务器进入 LAST-ACK 状态

      • 目的：服务器说"我的数据也发完了，准备关闭连接"

   4. 第四次挥手（ACK）：

      • 客户端收到 FIN 后，发送 ACK 回应：

        • ACK 标志位设置为 1

        • 序列号 Seq = U + 1

        • 确认号 Ack = W + 1

      • 客户端进入 TIME-WAIT 状态，等待 2MSL（最大报文段生存时间）后关闭

      • 服务器收到 ACK 后立即关闭连接

      • 目的：客户端确认"收到你的关闭请求，现在我们都关闭吧"

   为什么需要四次挥手？

   • 半关闭状态：TCP 连接是全双工的，允许一方在发送完数据后关闭发送通道，同时保持接收通道开放

   • 确保数据完整传输：给予被动方时间处理完剩余数据后再完全关闭

   • 可靠终止：确保双方都知道连接已终止，避免悬空连接

   为什么需要 TIME-WAIT 状态？

   • 防止旧连接数据包干扰：等待 2MSL 确保所有本连接的数据包都在网络中消失

   • 保证可靠终止：如果最后一次 ACK 丢失，服务器会重发 FIN，客户端可以再次响应

   实际编程中的注意事项：

   • 作为服务器，应该正确处理连接关闭，调用 close() 方法

   • 客户端应该优雅关闭连接，而不是强制终止

   • 网络编程中需要注意处理各种异常关闭情况

   • 对于频繁建立关闭的连接，需要注意端口重用问题（SO_REUSEADDR）

补充说明

DatagramSocket细节

• 绑定端口：通过指定端口往外发送数据

• 空参构造：从所有可用端口中随机获取一个进行使用

• 带参构造：指定端口进行绑定使用

DatagramPacket参数

• byte buf[]：字符数组

• int length：字符数组的长度

• InetAddress address：目标地址

• int port：目标端口

注意事项

1. TCP通信需要先启动服务端，再启动客户端

2. UDP接收端需要绑定端口，且端口必须与发送端指定的端口一致

3. receive()和accept()方法是阻塞的，程序会等待数据或连接

4. 使用完网络资源后需要及时关闭，释放资源