06 网络编程基础

目录

1.通信三要素

[1. IP地址(Internet Protocol Address)](#1. IP地址(Internet Protocol Address))

[2. 端口号(Port Number)](#2. 端口号(Port Number))

[3. 协议(Protocol)](#3. 协议(Protocol))

2.TCP与UDP协议

[三次握手(Three-Way Handshake)](#三次握手(Three-Way Handshake))

[四次挥手(Four-Way Waveoff)](#四次挥手(Four-Way Waveoff))

TCP协议编程示例

UDP协议编程示例


1.通信三要素

在网络编程中,通信的三个基本要素是:IP地址端口号协议。这三个要素共同确定了一个网络连接的唯一性。下面是对这三个要素的详细解释:

1. IP地址(Internet Protocol Address)

IP地址是互联网协议(Internet Protocol)地址,用于标识网络上的设备。IP地址分为两种主要类型:

  • IPv4 :32位地址,通常表示为四个十进制数,每个数之间用点号分隔,例如 192.168.1.1

  • IPv6 :128位地址,通常表示为八组十六进制数,每组之间用冒号分隔,例如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

2. 端口号(Port Number)

端口号是一个16位的数字,用于标识特定的应用程序或服务。端口号范围从0到65535,其中:

  • 0-1023

    :熟知端口(Well-Known Ports),这些端口号由IANA(Internet Assigned Numbers Authority)分配给特定的服务,例如:

    • HTTP:80

    • HTTPS:443

    • FTP:21

    • SSH:22

  • 1024-49151:注册端口(Registered Ports),这些端口号可以由用户和应用程序注册使用。

  • 49152-65535:动态或私有端口(Dynamic or Private Ports),这些端口号通常由操作系统动态分配给客户端应用程序。

3. 协议(Protocol)

协议定义了数据在网络上传输的方式和格式。常见的网络协议包括:

  • TCP(Transmission Control Protocol):一种面向连接的、可靠的传输协议,用于保证数据的完整性和顺序。TCP通过三次握手建立连接,通过四次挥手断开连接。

  • UDP(User Datagram Protocol):一种无连接的、不可靠的传输协议,适用于实时应用,如视频流和在线游戏。

  • HTTP(Hypertext Transfer Protocol):用于传输超文本的协议,通常在浏览器和Web服务器之间使用。

  • HTTPS(Hypertext Transfer Protocol Secure):HTTP的加密版本,使用SSL/TLS协议进行数据加密。

2.TCP与UDP协议

在网络通信中,TCP(传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的传输协议。TCP连接的建立和断开分别通过三次握手和四次挥手来完成。

三次握手(Three-Way Handshake)

三次握手是TCP连接建立的过程,确保双方都准备好进行数据传输。以下是三次握手的步骤:

  1. 第一次握手

    • 客户端发送一个SYN(同步序列编号)包到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认。

    • SYN包中包含客户端的初始序列号(ISN),记为 Seq=A

  2. 第二次握手

    • 服务器收到客户端的SYN包后,回复一个SYN+ACK(同步确认)包,表示接受连接请求。

    • SYN+ACK包中包含服务器的初始序列号 Seq=B,以及对客户端SYN包的确认号 Ack=A+1

    • 服务器进入SYN_RECV状态。

  3. 第三次握手

    • 客户端收到服务器的SYN+ACK包后,发送一个ACK(确认)包,确认收到服务器的SYN+ACK包。

    • ACK包中包含对服务器SYN包的确认号 Ack=B+1,以及自己的序列号 Seq=A+1

    • 客户端进入ESTABLISHED状态。

    • 服务器收到客户端的ACK包后,也进入ESTABLISHED状态,连接建立完成。

四次挥手(Four-Way Waveoff)

四次挥手是TCP连接断开的过程,确保双方都正确地关闭连接。以下是四次挥手的步骤:

  1. 第一次挥手

    • 客户端发送一个FIN(结束)包到服务器,表示客户端已经没有数据要发送了。

    • 客户端进入FIN_WAIT_1状态。

  2. 第二次挥手

    • 服务器收到客户端的FIN包后,发送一个ACK(确认)包,确认收到客户端的FIN包。

    • ACK包中包含对客户端FIN包的确认号 Ack=A+1,以及自己的序列号 Seq=B

    • 服务器进入CLOSE_WAIT状态,客户端进入FIN_WAIT_2状态。

  3. 第三次挥手

    • 服务器发送一个FIN包到客户端,表示服务器也没有数据要发送了。

    • 服务器进入LAST_ACK状态。

  4. 第四次挥手

    • 客户端收到服务器的FIN包后,发送一个ACK包,确认收到服务器的FIN包。

    • ACK包中包含对服务器FIN包的确认号 Ack=B+1,以及自己的序列号 Seq=A+1

    • 客户端进入TIME_WAIT状态,等待2MSL(最大段生命周期)后完全关闭连接。

    • 服务器收到客户端的ACK包后,进入CLOSED状态,连接完全关闭。

TCP协议编程示例

客户端

复制代码
public class SocketClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建socketdu对象,指明服务器地址和端口
        Socket socket = new Socket("localhost", 9999);
        System.out.println("连接成功!");
​
        // 向服务器发送数据
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        outputStream.write("Hello, 经验宝宝!".getBytes());
        System.out.println("数据发送成功!");
​
        //给服务端写一个结束标记
        socket.shutdownOutput();
        System.out.println("======以下代码是读取响应的结果======");
​
        // 接收服务器返回的数据
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len;
        while ((len = inputStream.read(buffer))!= -1) {
            System.out.println(new String(buffer, 0, len));
        }
        System.out.println("数据接收成功!");
​
        // 关闭流
        inputStream.close();
        outputStream.close();
​
        // 关闭socket连接
        socket.close();
​
    }
}

服务端

复制代码
public class SocketServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建服务器socket对象
        ServerSocket sockServer = new ServerSocket(9999);
        System.out.println("服务器启动成功!");
​
        // 等待客户端连接
        Socket socket = sockServer.accept();
        System.out.println("客户端连接成功!");
​
        // 使用socket中的输入输出流进行通信,处理客户端请求
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
​
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len = 0;
        while ((len = inputStream.read(buffer))!= -1) {
            System.out.println(new String(buffer, 0, len));
        }
​
        // 发送响应数据
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        String response = "Hello, 铁头娃!";
        outputStream.write(response.getBytes());
​
        // 关闭输入输出流
        outputStream.close();
        inputStream.close();
        // 关闭服务器socket对象
        socket.close();
        sockServer.close();
    }
}

在网络编程中,客户端和服务器之间的通信需要明确的数据边界。如果客户端发送的数据没有明确的结束标记,服务器可能会一直等待更多的数据,而客户端则可能因为没有收到响应而卡住。解决这个问题的方法有几种:

  1. 固定长度的消息:客户端和服务器之间约定每条消息的固定长度。

  2. 特殊字符作为结束标记:客户端在消息末尾添加一个特殊的结束标记,服务器在读取到这个标记后停止读取。

  3. 数据包大小作为前缀:客户端在发送消息之前先发送消息的长度,服务器根据这个长度读取完整的消息。

通过这些方法,你可以确保客户端和服务器之间的通信具有明确的数据边界,避免因缺少结束标记而导致的问题。

UDP协议编程示例

发送端

复制代码
public class DataGramSend {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个DatagramSocket,用于发送数据报
        // 无参:默认创建的DatagramSocket的端口号是0,表示系统自动分配一个可用端口号
        // 有参:创建的DatagramSocket的端口号是指定的端口号
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        System.out.println("DatagramSocket创建成功!");
​
        // 创建DatagramPacket,用于封装要发送的数据
        // 第一个参数:发送的数据
        // 第二个参数:发送数据的长度
        // 第三个参数:接收方的IP地址
        // 第四个参数:接收方的端口号
        byte[] data = "Hello, 菊花侠!".getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 8888);
        System.out.println("DatagramPacket创建成功!");
​
        // 发送数据报
        socket.send(packet);
        System.out.println("数据报发送成功!");
​
        // 关闭DatagramSocket
        socket.close();
        System.out.println("DatagramSocket关闭成功!");
    }
}

注意:UDP是不可靠的、无连接的通信,即使在没有接收端的情况下发送端也可以发送数据。

接收端

复制代码
public class DataGramReceive {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建 DatagramSocket,用于接收数据报
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8888);
        // 创建 byte 数组,用于接收数据
        byte[] buffer = new byte[1024];
        // 接收数据报,并将数据写入 buffer
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
        socket.receive(packet);
​
        // 打印接收到的内容
        String message = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength());
        System.out.println("接收到的数据报:" + message);
​
        // 关闭 DatagramSocket
        socket.close();
    }
}
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