Java网络编程

1. 常见的软件架构

1.1 CS布局

常见的CS布局的软件有QQ、微信、Steam等

1.2 BS架构

2. 网络编程三要素

3.InetAddress利用

InetAddress 是 Java 中用于表示 IP 地点的类，位于 java.net 包中。它可以表示一个 IP 地点（IPv4 或 IPv6），并提供用于解析主机名的静态方法。以下是 InetAddress 类的详细介绍及其常用方法：
InetAddress 类的根本概念

• IP 地点: InetAddress 对象可以表示一个互联网协议 (IP) 地点。
  
• 主机名解析: 它提供了将主机名解析为 IP 地点的方法，以及将 IP 地点解析为主机名的方法。
  
• 静态工厂方法: 用于获取 InetAddress 实例。
  

1. import java.net.InetAddress;
2. import java.net.UnknownHostException;
4. public class InetAddressStudy {
5.     public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {
6.         // 获取本地主机地址
7.         InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();
8.         System.out.println("Local host: " + localHost.getHostName() + " (" + localHost.getHostAddress() + ")");
10.         // 根据主机名获取 InetAddress 对象
11.         InetAddress address = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
12.         System.out.println("Host: " + address.getHostName() + ", IP Address: " + address.getHostAddress());
14.         // 根据主机名获取所有关联的 InetAddress 对象
15.         InetAddress[] addresses = InetAddress.getAllByName("www.baidu.com");
16.         for (InetAddress addr : addresses) {
17.             System.out.println("Host: " + addr.getHostName() + ", IP Address: " + addr.getHostAddress());
18.         }
20.         // 获取本地回环地址
21.         InetAddress loopbackAddress = InetAddress.getLoopbackAddress();
22.         System.out.println("Loopback Address: " + loopbackAddress.getHostAddress());
24.         // 判断地址是否为多播地址
25.         boolean isMulticast = address.isMulticastAddress();
26.         System.out.println("Is multicast address: " + isMulticast);
27.     }
28. }
30. 结果：
31. Local host: fanzhendembp-2 (192.168.1.4)
32. Host: www.baidu.com, IP Address: 39.156.66.14
33. Host: www.baidu.com, IP Address: 39.156.66.14
34. Host: www.baidu.com, IP Address: 39.156.66.18
35. Host: www.baidu.com, IP Address: 2409:8c00:6c21:104f:0:ff:b03f:3ae
36. Host: www.baidu.com, IP Address: 2409:8c00:6c21:1051:0:ff:b0af:279a
37. Loopback Address: 127.0.0.1
38. Is multicast address: false

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4. 端标语

端口（Port）是计算机网络中的一个重要概念，用于标识传输层协议（如 TCP 或 UDP）所利用的通信端点。端标语是一个 16 位的数字，范围从 0 到 65535，每个端标语代表一个特定的网络服务或应用程序。以下是关于端口的详细介绍：
端口的根本概念

• 端标语: 端标语是一个整数，用于标识网络上的特定服务或应用程序。每个网络连接通过 IP 地点和端标语的组合来唯一标识。
  
• 传输层协议: 端标语与传输层协议（如 TCP 或 UDP）结合利用，用于区分差别类型的网络通信。
  
• 知名端口（Well-Known Ports）: 范围为 0-1023，用于常见的网络服务和协议，例如 HTTP（80 端口）、HTTPS（443 端口）、FTP（21 端口）等。
  
• 注册端口（Registered Ports）: 范围为 1024-49151，分配给特定的服务和应用程序。
  
• 动态端口（Dynamic/Private Ports）: 范围为 49152-65535，通常用于客户端临时连接。
  

端口的分类

• TCP 端口: 用于基于连接的通信，例如 HTTP、HTTPS、FTP、SMTP 等。
  
• UDP 端口: 用于无连接的通信，例如 DNS、DHCP、SNMP 等。
  

端口的作用
端口用于在同一台计算机上区分多个网络服务。例如，一台服务器可以同时运行 Web 服务（HTTP，80 端口）和邮件服务（SMTP，25 端口），客户端可以通过差别的端标语连接到相应的服务。
端口的工作原理
当一个程序必要通过网络进行通信时，它会绑定到一个特定的端标语并监听来自其他计算机的连接请求。以下是一个简单的例子：

• 服务器端: 服务器程序在特定的端口上监听连接请求。例如，Web 服务器通常监听 80 端口上的 HTTP 请求。
  
• 客户端: 客户端程序通过指定服务器的 IP 地点和端标语来建立连接。例如，Web 欣赏器通过访问特定的 URL（如 http://example.com）来连接到服务器的 80 端口。
  
• 数据传输: 一旦连接建立，数据就可以在客户端和服务器之间传输。服务器通过端标语来辨认并处理差别的请求。
  

5. 协议

5.1 UDP协议

UDP（用户数据报协议，User Datagram Protocol）是一种面向无连接的传输层协议，属于TCP/IP协议族中的一个重要组成部分。UDP提供了一种简单但不可靠的服务，主要用于对速度和效率要求高，而对数据传输的正确性和可靠性要求相对较低的应用场景。
主要特点

• 无连接：
  UDP不必要建立连接就可以发送数据报。每个数据报都是独立的，没有任何关系，如许可以减少开销和延迟。
  
• 不可靠传输：
  UDP没有提供包管数据包到达的机制，也没有重传机制。数据包可能会丢失、重复或乱序。
  
• 快速：
  由于不必要连接建立和维护过程，UDP传输速度较快，适用于及时应用。
  
• 简单的首部：
  UDP报文头部很简单，只有8个字节，包括源端口、目的端口、长度和校验和。
  
• 数据报格式：
  每个UDP数据报包括一个UDP首部和一个数据部分。
  

应用场景

• 及时应用：
  如视频会议、网络电话、在线游戏等，这些应用对时延和速度要求高，对数据可靠性要求相对较低。
  
• 简单请求-响应协议：
  如DNS（域名系统）查询，由于查询数据包小且丢失后可以重新发送，因此利用UDP协议效率更高。
  
• 广播和组播：
  UDP支持广播和组播，适用于向多个吸收者发送相同数据的场景，如IPTV等。
  

优缺点
长处：

• 速度快，开销小，适合对延迟敏感的应用。
  
• 实现简单，资源消耗少。
  

缺点：

• 不包管数据的可靠传输，可能会丢包、乱序或重复。
  
• 没有流量控制和拥塞控制机制。
  

5.1.1 代码演示

1. import java.io.IOException;
2. import java.net.*;
4. public class SendMessageDemo {
5.     public static void main(String[] args) throws IOException {
6.         //发送数据
9.         //1.创建DatagramSocket对象(快递公司)
10.         //细节：
11.         //绑定端口，以后我们就是通过这个端口往外发送
12.         //空参：所有可用的端口中随机一个进行使用
13.         //有参：指定端口号进行绑定
14.         DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
16.         //2.打包数据
17.         String str = "你好威啊！！！";
18.         byte[] bytes = str.getBytes();
19.         InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
20.         int port = 10086;
22.         DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes,bytes.length,address,port);
24.         //3.发送数据
25.         ds.send(dp);
27.         //4.释放资源
28.         ds.close();
29.     }
30. }

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1. import java.io.IOException;
2. import java.net.DatagramPacket;
3. import java.net.DatagramSocket;
4. import java.net.InetAddress;
6. public class ReceiveMessageDemo {
7.     public static void main(String[] args) throws IOException {
8.         //接收数据
10.         //1.创建DatagramSocket对象（快递公司）
11.         //细节：
12.         //在接收的时候，一定要绑定端口
13.         //而且绑定的端口一定要跟发送的端口保持一致
14.         DatagramSocket ds = new DatagramSocket(10086);
16.         //2.接收数据包
17.         byte[] bytes = new byte[1024];
18.         DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes,bytes.length);
20.         //该方法是阻塞的
21.         //程序执行到这一步的时候，会在这里死等
22.         //等发送端发送消息
23.         System.out.println(11111);
24.         ds.receive(dp);
25.         System.out.println(2222);
27.         //3.解析数据包
28.         byte[] data = dp.getData();
29.         int len = dp.getLength();
30.         InetAddress address = dp.getAddress();
31.         int port = dp.getPort();
33.         System.out.println("接收到数据" + new String(data,0,len));
34.         System.out.println("该数据是从" + address + "这台电脑中的" + port + "这个端口发出的");
36.         //4.释放资源
37.         ds.close();
38.     }
39. }

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5.2 UDP的三种通信方式

单播、组播、广播
5.2.1 单播

5.2.2 组播

组播地点：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
此中 224.0.0.0. ~ 224.0.0.255 为预留的组播地点

1. 组播发送端代码
3. import java.io.IOException;
4. import java.net.DatagramPacket;
5. import java.net.InetAddress;
6. import java.net.MulticastSocket;
8. public class SendMessageDemo {
9.     public static void main(String[] args) throws IOException {
10.          /*
11.             组播发送端代码
12.         */
14.         //创建MulticastSocket对象
15.         MulticastSocket ms = new MulticastSocket() ;
17.         // 创建DatagramPacket对象
18.         String s = "你好,你好!" ;
19.         byte[] bytes = s.getBytes();
20.         InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.0.1");
21.         int port = 10000;
23.         DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port) ;
25.         // 调用MulticastSocket发送数据方法发送数据
26.         ms.send(datagramPacket);
28.         // 释放资源
29.         ms.close();
30.     }
31. }

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1. 接收端1
3. import java.io.IOException;
4. import java.net.DatagramPacket;
5. import java.net.InetAddress;
6. import java.net.MulticastSocket;
8. public class ReceiveMessageDemo1 {
9.     public static void main(String[] args) throws IOException {
10.         /*
11.             组播接收端代码
12.         */
14.         //1. 创建MulticastSocket对象
15.         MulticastSocket ms = new MulticastSocket(10000);
17.         //2. 将将当前本机，添加到224.0.0.1的这一组当中
18.         InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.0.1");
19.         ms.joinGroup(address);
21.         //3. 创建DatagramPacket数据包对象
22.         byte[] bytes = new byte[1024];
23.         DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
25.         //4. 接收数据
26.         ms.receive(dp);
28.         //5. 解析数据
29.         byte[] data = dp.getData();
30.         int len = dp.getLength();
31.         String ip = dp.getAddress().getHostAddress();
32.         String name = dp.getAddress().getHostName();
34.         System.out.println("ip为：" + ip + ",主机名为：" + name + "的人，发送了数据：" + new String(data,0,len));
36.         //6. 释放资源
37.         ms.close();
38.     }
39. }

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1. 接收端2
3. import java.io.IOException;
4. import java.net.DatagramPacket;
5. import java.net.InetAddress;
6. import java.net.MulticastSocket;
8. public class ReceiveMessageDemo2 {
9.     public static void main(String[] args) throws IOException {
10.         /*
11.             组播接收端代码
12.         */
14.         //1. 创建MulticastSocket对象
15.         MulticastSocket ms = new MulticastSocket(10000);
17.         //2. 将将当前本机，添加到224.0.0.1的这一组当中
18.         InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.0.1");
19.         ms.joinGroup(address);
21.         //3. 创建DatagramPacket数据包对象
22.         byte[] bytes = new byte[1024];
23.         DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
25.         //4. 接收数据
26.         ms.receive(dp);
28.         //5. 解析数据
29.         byte[] data = dp.getData();
30.         int len = dp.getLength();
31.         String ip = dp.getAddress().getHostAddress();
32.         String name = dp.getAddress().getHostName();
34.         System.out.println("ip为：" + ip + ",主机名为：" + name + "的人，发送了数据：" + new String(data,0,len));
36.         //6. 释放资源
37.         ms.close();
38.     }
39. }

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1. 接收端3
3. import java.io.IOException;
4. import java.net.DatagramPacket;
5. import java.net.InetAddress;
6. import java.net.MulticastSocket;
8. public class ReceiveMessageDemo3 {
9.     public static void main(String[] args) throws IOException {
10.         /*
11.             组播接收端代码
12.         */
14.         //1. 创建MulticastSocket对象
15.         MulticastSocket ms = new MulticastSocket(10000);
17.         //2. 将将当前本机，添加到224.0.0.1的这一组当中
18.         InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.0.1");
19.         ms.joinGroup(address);
21.         //3. 创建DatagramPacket数据包对象
22.         byte[] bytes = new byte[1024];
23.         DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
25.         //4. 接收数据
26.         ms.receive(dp);
28.         //5. 解析数据
29.         byte[] data = dp.getData();
30.         int len = dp.getLength();
31.         String ip = dp.getAddress().getHostAddress();
32.         String name = dp.getAddress().getHostName();
34.         System.out.println("ip为：" + ip + ",主机名为：" + name + "的人，发送了数据：" + new String(data,0,len));
36.         //6. 释放资源
37.         ms.close();
38.     }
39. }

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5.2.3 广播

广播地点255.255.255.255

只必要修改为255.255.255.255

5.3 TCP通信

TCP（传输控制协议，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，它是Internet协议栈中的核心协议之一。TCP提供了可靠的数据传输、流量控制和拥塞控制等功能，广泛用于网络应用，如HTTP、FTP、SMTP等。
5.3.1 TCP的根本特性

• 面向连接：在数据传输开始之前，通信双方必须建立一个连接（通过三次握手）。
  
• 可靠传输：通过序列号、确认机制、重传机制等包管数据的完备性和正确性。
  
• 流量控制：防止发送方发送数据过快，导致吸收方来不及处理。
  
• 拥塞控制：防止网络拥塞，包管网络资源的有用利用。TCP采取多种算法来进行拥塞控制，如慢启动（Slow Start）、拥塞避免（Congestion Avoidance）、快重传（Fast Retransmit）和快恢复（Fast Recovery）。
  

5.3.2 TCP的工作原理

5.3.2.1 三次握手（建立连接）

TCP连接的建立必要三次握手过程：

• 第一次握手：客户端向服务器发送一个SYN（synchronize）包，请求建立连接。
  
• 第二次握手：服务器收到SYN包后，向客户端发送一个SYN-ACK包，表示同意连接。
  
• 第三次握手：客户端收到SYN-ACK包后，向服务器发送一个ACK（acknowledge）包，连接建立完成。
  

5.3.2.2 数据传输

• 数据分片：数据被分割成若干个TCP报文段，每个报文段都有一个序列号。
  
• 序列号和确认号：吸收方会返回确认号（ACK）来确认收到的数据。发送方如果在肯定时间内没有收到ACK，会重传该报文段。
  
• 窗口机制：TCP利用滑动窗口机制来进行流量控制。发送窗口大小由吸收方的吸收窗口和网络状况决定。
  
• 超时重传：如果发送方在超时时间内未收到ACK，将重新发送该报文段。
  

5.3.2.3 四次挥手（断开连接）

TCP连接的断开必要四次挥手过程：

• 第一次挥手：自动关闭方发送一个FIN（finish）包，表示没有数据要发送了。
  
• 第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK包，确认关闭请求。
  
• 第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN包，表示同意关闭连接。
  
• 第四次挥手：自动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK包，连接关闭完成。
  

5.3.2 TCP报文布局

TCP报文段的布局主要包括以下字段：

• 源端口和目的端口：标识发送方和吸收方的应用程序端口。
  
• 序列号：标识报文段在整个字节流中的位置。
  
• 确认号：表示吸收到的数据的下一个字节序号。
  
• 头部长度：TCP头部的长度。
  
• 控制标志：包括SYN、ACK、FIN、RST等。
  
• 窗口大小：吸收方当前的吸收窗口大小。
  
• 校验和：用于检验报文段的完备性。
  
• 告急指针：指示告急数据的位置（如果有）。
  
• 选项：可选字段，如最大报文段长度（MSS）等。
  

5.3.3 TCP应用场景

TCP广泛用于必要可靠传输的网络应用，如：

• 网页欣赏：HTTP/HTTPS协议基于TCP。
  
• 文件传输：FTP协议基于TCP。
  
• 电子邮件：SMTP、IMAP、POP3协议基于TCP。
  

5.3.4 代码演示

1. import java.io.IOException;
2. import java.io.OutputStream;
3. import java.net.Socket;
5. public class Client {
6.     public static void main(String[] args) throws IOException {
7.         //TCP协议，发送数据
9.         //1.创建Socket对象
10.         //细节：在创建对象的同时会连接服务端
11.         //      如果连接不上，代码会报错
12.         Socket socket = new Socket("127.0.0.1",10000);
14.         //2.可以从连接通道中获取输出流
15.         OutputStream os = socket.getOutputStream();
16.         //写出数据
17.         os.write("aaa".getBytes());
19.         //3.释放资源
20.         os.close();
21.         socket.close();
22.     }
23. }

复制代码

1. import java.io.IOException;
2. import java.io.InputStream;
3. import java.net.ServerSocket;
4. import java.net.Socket;
6. public class Server {
7.     public static void main(String[] args) throws IOException {
8.         //TCP协议，接收数据
10.         //1.创建对象ServerSocker
11.         ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);
13.         //2.监听客户端的链接
14.         Socket socket = ss.accept();
16.         //3.从连接通道中获取输入流读取数据
17.         InputStream is = socket.getInputStream();
18.         int b;
19.         while ((b = is.read()) != -1){
20.             System.out.print((char) b);
21.         }
23.         //4.释放资源
24.         socket.close();
25.         ss.close();
26.     }
27. }

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