Java网络编程

1. 常见的软件架构

1.1 CS结构

常见的CS结构的软件有QQ、微信、Steam等

1.2 BS架构

2. 网络编程三要素

3.InetAddress使用

InetAddress 是 Java 中用于表示 IP 地址的类，位于 java.net 包中。它可以表示一个 IP 地址（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 类的基本概念

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

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;public class InetAddressStudy {public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {// 获取本地主机地址InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();System.out.println("Local host: " + localHost.getHostName() + " (" + localHost.getHostAddress() + ")");// 根据主机名获取 InetAddress 对象InetAddress address = InetAddress.getByName("www.baidu.com");System.out.println("Host: " + address.getHostName() + ", IP Address: " + address.getHostAddress());// 根据主机名获取所有关联的 InetAddress 对象InetAddress[] addresses = InetAddress.getAllByName("www.baidu.com");for (InetAddress addr : addresses) {System.out.println("Host: " + addr.getHostName() + ", IP Address: " + addr.getHostAddress());}// 获取本地回环地址InetAddress loopbackAddress = InetAddress.getLoopbackAddress();System.out.println("Loopback Address: " + loopbackAddress.getHostAddress());// 判断地址是否为多播地址boolean isMulticast = address.isMulticastAddress();System.out.println("Is multicast address: " + isMulticast);}
}结果：
Local host: fanzhendembp-2 (192.168.1.4)
Host: www.baidu.com, IP Address: 39.156.66.14
Host: www.baidu.com, IP Address: 39.156.66.14
Host: www.baidu.com, IP Address: 39.156.66.18
Host: www.baidu.com, IP Address: 2409:8c00:6c21:104f:0:ff:b03f:3ae
Host: www.baidu.com, IP Address: 2409:8c00:6c21:1051:0:ff:b0af:279a
Loopback Address: 127.0.0.1
Is multicast address: false

4. 端口号

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）所使用的通信端点。端口号是一个 16 位的数字，范围从 0 到 65535，每个端口号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：

端口的基本概念

1. 端口号: 端口号是一个整数，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 地址和端口号的组合来唯一标识。
2. 传输层协议: 端口号与传输层协议（如 TCP 或 UDP）结合使用，用于区分不同类型的网络通信。
3. 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。
4. 注册端口（Registered Ports）: 范围为 1024-49151，分配给特定的服务和应用程序。
5. 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

1. TCP 端口: 用于基于连接的通信，例如 HTTP、HTTPS、FTP、SMTP 等。
2. 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），客户端可以通过不同的端口号连接到相应的服务。

端口的工作原理
当一个程序需要通过网络进行通信时，它会绑定到一个特定的端口号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：

1. 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。
2. 客户端: 客户端程序通过指定服务器的 IP 地址和端口号来建立连接。例如，Web 浏览器通过访问特定的 URL（如 http://example.com）来连接到服务器的 80 端口。
3. 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。服务器通过端口号来识别并处理不同的请求。

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，而对数据传输的准确性和可靠性要求相对较低的应用场景。

主要特点

1. 无连接：
   UDP不需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，这样可以减少开销和延迟。

2. 不可靠传输：
   UDP没有提供保证数据包到达的机制，也没有重传机制。数据包可能会丢失、重复或乱序。

3. 快速：
   由于不需要连接建立和维护过程，UDP传输速度较快，适用于实时应用。

4. 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。

5. 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

1. 实时应用：
   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。

2. 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，因此使用UDP协议效率更高。

3. 广播和组播：
   UDP支持广播和组播，适用于向多个接收者发送相同数据的场景，如IPTV等。

优缺点
优点：

• 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：

• 不保证数据的可靠传输，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

import java.io.IOException;
import java.net.*;public class SendMessageDemo {public static void main(String[] args) throws IOException {//发送数据//1.创建DatagramSocket对象(快递公司)//细节：//绑定端口，以后我们就是通过这个端口往外发送//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();//2.打包数据String str = "你好威啊！！！";byte[] bytes = str.getBytes();InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");int port = 10086;DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes,bytes.length,address,port);//3.发送数据ds.send(dp);//4.释放资源ds.close();}
}

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

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

组播地址：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

组播发送端代码import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;public class SendMessageDemo {public static void main(String[] args) throws IOException {/*组播发送端代码*///创建MulticastSocket对象MulticastSocket ms = new MulticastSocket() ;// 创建DatagramPacket对象String s = "你好,你好!" ;byte[] bytes = s.getBytes();InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.0.1");int port = 10000;DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address, port) ;// 调用MulticastSocket发送数据方法发送数据ms.send(datagramPacket);// 释放资源ms.close();}
}

接收端1import 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 {/*组播接收端代码*///1. 创建MulticastSocket对象MulticastSocket ms = new MulticastSocket(10000);//2. 将将当前本机，添加到224.0.0.1的这一组当中InetAddress address = InetAddress.getByName("224.0.0.1");ms.joinGroup(address);//3. 创建DatagramPacket数据包对象byte[] bytes = new byte[1024];DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);//4. 接收数据ms.receive(dp);//5. 解析数据byte[] data = dp.getData();int len = dp.getLength();String ip = dp.getAddress().getHostAddress();String name = dp.getAddress().getHostName();System.out.println("ip为：" + ip + ",主机名为：" + name + "的人，发送了数据：" + new String(data,0,len));//6. 释放资源ms.close();}
}

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

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

5.2.3 广播

广播地址255.255.255.255

只需要修改为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的基本特性

• 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、重传机制等保证数据的完整性和正确性。
• 流量控制：防止发送方发送数据过快，导致接收方来不及处理。
• 拥塞控制：防止网络拥塞，保证网络资源的有效利用。TCP采用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连接的建立需要三次握手过程：

1. 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。
2. 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。
3. 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：接收方会返回确认号（ACK）来确认收到的数据。发送方如果在一定时间内没有收到ACK，会重传该报文段。
• 窗口机制：TCP使用滑动窗口机制来进行流量控制。发送窗口大小由接收方的接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连接的断开需要四次挥手过程：

1. 第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN（finish）包，表示没有数据要发送了。
2. 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。
3. 第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN包，表示同意关闭连接。
4. 第四次挥手：主动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK包，连接关闭完成。

5.3.2 TCP报文结构

TCP报文段的结构主要包括以下字段：

• 源端口和目标端口：标识发送方和接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：表示接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：接收方当前的接收窗口大小。
• 校验和：用于检验报文段的完整性。
• 紧急指针：指示紧急数据的位置（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广泛用于需要可靠传输的网络应用，如：

• 网页浏览：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

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;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",10000);//2.可以从连接通道中获取输出流OutputStream os = socket.getOutputStream();//写出数据os.write("aaa".getBytes());//3.释放资源os.close();socket.close();}
}

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;public class Server {public static void main(String[] args) throws IOException {//TCP协议，接收数据//1.创建对象ServerSockerServerSocket 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.print((char) b);}//4.释放资源socket.close();ss.close();}
}