网络编程

本篇整理 Java 网络编程的基础内容：网络通信要素（协议、IP 地址、端口号、InetAddress 与 Socket），以及基于 TCP 协议和 UDP 协议的网络编程示例。

1. 概述

概念：用 Java 语言实现计算机间数据的信息传递和资源共享。其它编程语言也可以实现网络编程。

目的：直接或间接地通过网络协议与其它计算机进行通讯。

需要解决的问题：

• 如何准确地定位网络上一台或多台主机；
• 如何定位主机上的特定应用；
• 找到主机后，如何可靠高效地进行数据传输。

2. 网络通信要素

如何实现网络中的主机互相通信？需要两方面的要素：

• 一定的规则，即网络通信协议，有两套参考模型：
  • OSI 参考模型；
  • TCP/IP 参考模型（或 TCP/IP 协议）。
• 通信双方地址：
  • IP 地址；
  • 端口号。

2.1 网络协议

网络协议是一种规则：人和人交流有语言的规则，计算机之间通过网络交流也要有网络的规则。

2.1.1 OSI 参考模型

OSI 参考模型过于理想化，未能在因特网上进行广泛推广。

2.1.2 TCP/IP 协议

TCP/IP 协议出现较早，是事实上的标准。两种协议之间存在对应关系：

TCP/IP 以其两个主要协议——传输控制协议（TCP）和网络互联协议（IP）——而得名，实际上是一组协议，包括多个具有不同功能且互为关联的协议。

2.1.3 TCP 和 UDP

TCP 协议：

• 使用 TCP 协议前，须先建立 TCP 连接，形成传输数据通道；
• 传输前，采用三次握手方式，是可靠的；
• TCP 协议进行通信的两个应用进程：客户端、服务端；
• 在连接中可进行大数据量的传输；
• 传输完毕，使用四次挥手方式释放连接，结束传输，效率低。

UDP 协议：

• 将数据、源、目的封装成数据包，不需要建立连接；
• 每个数据报的大小限制在 64KB 内；
• 因无需连接，故是不可靠的；
• 发送数据结束时无需释放资源，速度快。

三次握手过程：

四次挥手过程：

注

为什么建立连接握手三次，而关闭连接时需要四次？TCP 握手时，接收端发送 SYN+ACK 包是将一个 ACK 和一个 SYN 合并到一个包中，减少了一次包的发送，所以三次即可完成握手。而四次挥手时，因为 TCP 是全双工通信，主动关闭方发送 FIN 包后，接收端可能还要发送数据，不能立即关闭服务器端到客户端的数据通道，也就不能将服务器端的 FIN 包与对客户端的 ACK 包合并发送，只能先回复 ACK 确认，服务器待无需发送数据时再发送 FIN 包，所以必须是四次数据包的交互。

2.2 IP 地址和端口号

2.2.1 IP 地址

IP 地址唯一地标识 Internet 上的计算机（通信实体）。本地回环地址为 127.0.0.1。

IP 地址分类方式一（按协议版本）：

版本	说明
IPV4	由 4 个字节组成，每个字节取值 0-255，共约 42 亿个，其中约 30 亿在北美，亚洲只有约 4 亿，2011 年初已经用尽。以点分十进制表示，如 192.168.0.1
IPV6	128 位（16 个字节），写成 8 个无符号整数，每个整数用四个十六进制位表示，数之间用冒号 : 分开，如 3ffe:3201:1401:1280:c8ff:fe4d:db39:198

IP 地址分类方式二（按使用范围）：公网地址（万维网使用）和私有地址（局域网使用）。一般 192.168. 开头的就是私有地址，范围为 192.168.0.0--192.168.255.255，专门为组织机构内部使用。

2.2.2 端口号

端口号标识正在计算机上运行的进程（程序），不同的进程有不同的端口号。端口号是一个 16 位的整数，取值范围 0~65535。

端口分类：

分类	范围	说明
公认端口	0~1023	被预先定义的服务通信占用，如 HTTP 占用 80、FTP 占用 21、Telnet 占用 23
注册端口	1024~49151	分配给用户进程或应用程序，如 Tomcat 占用 8080、MySQL 占用 3306、Oracle 占用 1521 等
动态/私有端口	49152~65535	—

端口号与 IP 地址的组合得出一个网络套接字 Socket。

2.2.3 InetAddress 类

Internet 上的主机有两种方式表示地址：

• 域名：stage1.codeaction.org；
• IP 地址：216.127.178.187。

InetAddress 的作用主要是表示 IP 地址，它有两个子类：Inet4Address 和 Inet6Address。InetAddress 类对象包含一个 Internet 主机地址的域名和 IP 地址。

域名容易记忆，当在连接网络时输入一个主机的域名后，域名服务器（DNS）负责将域名转化成 IP 地址，这样才能和主机建立连接。域名解析过程：

1. 先找本机 hosts 文件，查看是否有输入的域名地址；
2. 没有的话，再通过 DNS 服务器去找主机。

InetAddress 类没有提供公共的构造器，而是提供了如下几个静态方法来获取 InetAddress 实例：

• public static InetAddress getLocalHost()；
• public static InetAddress getByName(String host)。

InetAddress 提供了如下几个常用的方法：

方法	说明
public String getHostAddress()	返回 IP 地址字符串（以文本表现形式）
public String getHostName()	获取此 IP 地址的主机名
public boolean isReachable(int timeout)	测试是否可以达到该地址

import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;

public class MyTest1 {

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		/*
		 * 对InetAdrress进行测试
		 * InetAddress表示的是IP地址
		 * */
		//获取InetAddress对象1
		//InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
		InetAddress address = InetAddress.getByName("stage1.codeaction.org");//网址--域名
		System.out.println(address);
        
        InetAddress l1 = InetAddress.getByName("localhost");
        System.out.println(l1);

        //获取InetAddress对象2
        InetAddress l2 = InetAddress.getLocalHost();
        System.out.println(l2);
	
		//获取IP地址
		String ip = address.getHostAddress();
		System.out.println(ip);
		//获取主机名
		String hostName = address.getHostName();
		System.out.println(hostName);
		//测试主机是否可达 毫秒
		System.out.println(address.isReachable(40));
	}
}

2.2.4 网络套接字 Socket

利用套接字（Socket）开发网络应用程序早已被广泛采用，以至于成为事实上的标准。

网络上具有唯一标识的 IP 地址和端口号组合在一起，才能构成唯一能识别的标识套接字。通信的两端都要有 Socket，它是两台机器间通信的端点。网络通信其实就是 Socket 间的通信。

Socket 允许程序把网络连接当成一个流，数据在两个 Socket 间通过 IO 传输。一般主动发起通信的应用程序属于客户端，等待通信请求的为服务端。

Socket 分类：

• 流套接字（stream socket）：使用 TCP 提供可依赖的字节流服务；
• 数据报套接字（datagram socket）：使用 UDP 提供尽力而为的数据报服务。

Socket 类的常用构造器：

• public Socket(InetAddress address, int port)：创建一个流套接字并将其连接到指定 IP 地址的指定端口号；
• public Socket(String host, int port)：创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号。

Socket 类的常用方法：

方法	说明
getLocalAddress()	返回本地 Socket 中 IP 的 InetAddress 对象
getLocalPort()	返回本地 Socket 中的端口号
getInetAddress()	返回对方 Socket 中的 IP 地址
getPort()	返回对方 Socket 中的端口号
close()	关闭套接字
getInputStream()	获取输入流，用来读取数据
getOutputStream()	获取输出流，用来发送数据

3. 基于 TCP 协议的网络编程

3.1 服务端

服务器程序的工作过程包含以下四个基本步骤：

1. 调用 ServerSocket(int port)：创建一个服务器端套接字，并绑定到指定端口上，用于监听客户端的请求；
2. 调用 accept()：监听连接请求，如果客户端请求连接，则接收连接，返回套接字对象；
3. 调用该 Socket 类对象的 getOutputStream() 和 getInputStream()，获取输出流和输入流，开始网络数据的发送和接收；
4. 关闭 ServerSocket 和 Socket 对象，客户端访问结束，关闭通信套接字。

ServerSocket 对象负责等待客户端请求建立套接字连接，类似邮局某个窗口中的业务员。也就是说，服务器必须事先建立一个等待客户请求建立套接字连接的 ServerSocket 对象，这个对象称为监听套接字。所谓接收客户的套接字请求，就是 accept() 方法会返回一个 Socket 对象，这个对象称为已连接套接字。

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.InetAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Server {

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		/*
		 * 创建服务器
		 */
		// 创建监听套接字
		ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10001);
		while (true) {
			// 监听---->返回已连接套接字
			Socket socket = serverSocket.accept();
			// 获取对方地址信息
			InetAddress clientAddress = socket.getInetAddress();
			int port = socket.getPort();
			System.out.println(clientAddress.getHostAddress() + "连接, 端口号：" + port);
			byte[] arr = new byte[1024];
			String str = "";
			// 获取IO流
			InputStream in = socket.getInputStream();

			while (true) {
				// 获取客户端发送的消息
				int len = in.read(arr, 0, 1024);
				// 判断客户端是否关闭
				if (len == -1) {
					break;
				}
				// 将接受到的内容进行转换
				str = new String(arr, 0, len);
				System.out.println(str);
			}

			socket.close();
		}
		// serverSocket.close();
	}
}

3.2 客户端

客户端 Socket 的工作过程包含以下四个基本步骤：

1. 创建 Socket：根据指定服务端的 IP 地址和端口号构造 Socket 类对象。若服务器端响应，则建立客户端到服务器的通信线路；若连接失败，会出现异常；
2. 打开连接到 Socket 的输入/输出流：使用 getInputStream() 方法获得输入流，使用 getOutputStream() 方法获得输出流，进行数据传输；
3. 按照一定的协议对 Socket 进行读/写操作：通过输入流读取服务器放入线路的信息（但不能读取自己放入线路的信息），通过输出流将信息写入线路；
4. 关闭 Socket：断开客户端到服务器的连接，释放线路。

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.Scanner;

public class Client {

	public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {
		/*
		 * 客户端
		 * */
		/*
		 * 创建套接字
		 * 需要制定服务器的IP地址和端口号
		 * 只要返回，就说明和服务器建立了连接
		 * */
		Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 10001);
		//获取IO流，进行IO操作
		OutputStream out = socket.getOutputStream();
		
		Scanner sc = new Scanner(System.in);
		String str = "";
		while(true) {
			//获取用户输入的信息
			str = sc.next();
			//用户输入exit退出
			if(str.equals("exit")) {
				break;
			}
			//发送到服务器
			out.write(str.getBytes());
		}
		//关闭socket
		socket.close();
	}
}

3.3 支持多客户端的服务器

要支持多个客户端同时连接，可以使用多线程，为每个接入的客户端分配一个线程单独处理。

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;

public class LinkThread extends Thread {
    private Socket socket;

    public LinkThread(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            InetAddress address = socket.getInetAddress();
            String hostAddress = address.getHostAddress();
            int port = socket.getPort();
            System.out.println(hostAddress + ":" + port + "已连接");
            InputStream in = socket.getInputStream();
            int len = 0;
            byte[] arr = new byte[1024];

            while((len = in.read(arr)) != -1) {
                String s = new String(arr, 0, len);
                System.out.println(hostAddress + ":" + port + "---" + s);
            }

            socket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Server1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建监听套接字
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10001);

        while (true) {
            //获取已连接套接字
            Socket socket = serverSocket.accept();
            LinkThread linkThread = new LinkThread(socket);
            linkThread.start();
        }
    }
}

4. 基于 UDP 协议的网络编程

类 DatagramSocket 和 DatagramPacket 实现了基于 UDP 协议的网络程序。

UDP 数据报通过数据报套接字 DatagramSocket 发送和接收，系统不保证 UDP 数据报一定能够安全送到目的地，也不能确定什么时候可以抵达。

DatagramPacket 对象封装了 UDP 数据报，在数据报中包含了发送端的 IP 地址和端口号以及接收端的 IP 地址和端口号。UDP 协议中每个数据报都给出了完整的地址信息，因此无须建立发送方和接收方的连接，如同发快递包裹一样。

DatagramSocket 类的常用方法：

方法	说明
public DatagramSocket(int port)	创建数据报套接字并将其绑定到本地主机上的指定端口。套接字将被绑定到通配符地址，IP 地址由内核来选择
public DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)	创建数据报套接字，将其绑定到指定的本地地址。本地端口必须在 0 到 65535 之间（包括两者）；如果 IP 地址为 0.0.0.0，套接字将被绑定到通配符地址，IP 地址由内核选择
public void close()	关闭此数据报套接字
public void send(DatagramPacket p)	从此套接字发送数据报包。DatagramPacket 包含的信息指示将要发送的数据、其长度、远程主机的 IP 地址和远程主机的端口号
public void receive(DatagramPacket p)	从此套接字接收数据报包。方法返回时，DatagramPacket 的缓冲区填充了接收的数据，数据报包也包含发送方的 IP 地址和发送方机器上的端口号。此方法在接收到数据报前一直阻塞。数据报包对象的 length 字段包含所接收信息的长度；如果信息比包的长度长，该信息将被截短
public InetAddress getLocalAddress()	获取套接字绑定的本地地址
public int getLocalPort()	返回此套接字绑定的本地主机上的端口号
public InetAddress getInetAddress()	返回此套接字连接的地址。如果套接字未连接，则返回 null
public int getPort()	返回此套接字的端口。如果套接字未连接，则返回 -1

DatagramPacket 类的常用方法：

方法	说明
public DatagramPacket(byte[] buf, int length)	构造 DatagramPacket，用来接收长度为 length 的数据包。length 参数必须小于等于 buf.length
public DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)	构造数据报包，用来将长度为 length 的包发送到指定主机上的指定端口号。length 参数必须小于等于 buf.length
public InetAddress getAddress()	返回某台机器的 IP 地址，此数据报将要发往该机器，或者是从该机器接收到的
public int getPort()	返回某台远程主机的端口号，此数据报将要发往该主机，或者是从该主机接收到的
public byte[] getData()	返回数据缓冲区。接收到的或将要发送的数据从缓冲区中的偏移量 offset 处开始，持续 length 长度
public int getLength()	返回将要发送或接收到的数据的长度

UDP 网络通信流程：

1. 建立发送端、接收端；
2. 建立数据包；
3. 调用 Socket 的发送、接收方法；
4. 关闭 Socket。

发送端与接收端是两个独立的运行程序。

public class Recv {
    public static void main(String[] args) {
        DatagramSocket datagramSocket = null;
        try {
            datagramSocket = new DatagramSocket(10001);
            byte[] arr = new byte[1024];

            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(arr, arr.length);
            datagramSocket.receive(packet);

            String s = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength());
            //System.out.println(Arrays.toString(arr));
            System.out.println(s);
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(datagramSocket != null) {
                datagramSocket.close();
            }
        }
    }
}

public class Send {
    public static void main(String[] args) {
        DatagramSocket socket = null;

        try {
            socket = new DatagramSocket();
            byte[] arr = "hello".getBytes();
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(arr, 0, arr.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 10001);
            socket.send(packet);
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (UnknownHostException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(socket != null) {
                socket.close();
            }
        }
    }
}