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

要素	描述
IP	设备在网络中的地址，唯一标识
端口	应用程序在设备中唯一的标识
协议	数据在网络中传输的规则，如TCP/UDP

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

层级	协议示例
应用层	HTTP, FTP, DNS, SMTP, Telnet
传输层	TCP, UDP
网络层	IP, ICMP, ARP
物理链路层	MAC

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

java 复制代码

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

java 复制代码

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

java 复制代码

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

java 复制代码

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

java 复制代码

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

java 复制代码

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();
    }
}

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：

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"
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"
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：

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"
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"
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"
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

TCP通信需要先启动服务端，再启动客户端
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
receive()和accept()方法是阻塞的，程序会等待数据或连接
使用完网络资源后需要及时关闭，释放资源