Java网络编程概念，简单Socket编程

淩亂°似流年 2021-10-13 19:34 419阅读 0赞

### 一、计算机网路基础概念 ###

**1、计算机网路  --[百度百科][Link 1]**

计算机网络是指：将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

从逻辑功能上看，计算机网络是以传输信息为基础目的，用通信线路将多个计算机连接起来的计算机系统的集合，一个计算机网络组成包括传输介质和通信设备。

虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为**局域网**（LocalArea Network， LAN）、**城域网**（Metropolitan Area Network，MAN）、**广域网**（Wide Area Network，WAN）和**互联网**（Internet，由无数的 LAN 和 WAN 组成）四种。

** 2、网络编程模式**

在网络通信中主要有两种模式的通信方式：客户机/服务器（Client/Server）模式，简称为C/S 模式和浏览器/服务器（Browser/Server）模式，简称 B/S 模式。

**1. Client/Server 模式**

客户机、服务器以及网络三者之间的关系图，使用这种模式的程序很多，例如：qq、游戏等，需要在本机上安装一个客户端，服务器运行在开发公司的机房。

![format_png][]

使用 C/S 模式的程序，在开发时需要分别针对客户端和服务器端进行专门开发。

优点：由于客户端是专门开发的，表现力会更强。缺点：通用性差，维护压力较大。

**2. Browser/Server 模式**

用户使用浏览器作为客户端的这种模式叫作浏览器/服务器模式。

优点：只需开发服务器端即可，开发压力较小，不需要维护客户端。缺点：对浏览器的限制比较大，表现力不强。

**3、网络协议**

为了减少网络设计的复杂性，绝大多数网络采用分层设计方法。**分层设计方法**，就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。

网络上的计算机之间要通信就必须有一些约定，这些约定被称为**网络通信协议**。不同的计算机之间必须使用相同的通信协议才能进行通信。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

网络模型一般是指**OSI七层参考模型**和**TCP/IP四层参考模型**。

开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI）是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型，为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。

OSI先有模型后有协议，先有标准后进行实践；而TCP/IP则相反，先有协议和应用再提出了模型，且是参照的OSI模型。

**TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）**：TCP/IP协议是一个协议集合。所以统称为TCP/IP。在 TCP/IP 中包含一系列用于处理数据通信的协议：

*  TCP (传输控制协议) - 应用程序之间通信
 *  UDP (用户数据包协议) - 应用程序之间的简单通信
 *  IP (网际协议) - 计算机之间和计算机网络之间的通信
 *  ICMP (因特网消息控制协议) - 针对错误和状态
 *  DHCP (动态主机配置协议) - 针对动态寻址

**1. TCP（transmission control protocol）传输控制协议协议：**

TCP 用于应用程序之间的通信。当应用程序通过TCP与另一个应用程序通信时，它会发送一个通信请求。这个请求必须被送到一个确切的地址。在双方“三次握手”之后，TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex) 的通信。

这个全双工的通信将占用两个计算机之间的通信线路，直到它被一方或双方关闭为止，关闭时会经历四次挥手。

**（1）TCP三次握手**

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。

在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

![format_png 1][]

*  SYN：同步标志。表明同步序列编号栏有效。
 *  ACK：确认标志。确认值(Acknowledgement)，为1便是确认连接。
 *  ack：确认编号(Acknowledgement Number)，即接收到的上一次远端主机传来的seq然后+1，再发送给远端主机。提示远端主机已经成功接收上一次所有数据。
 *  FIN：结束标志。

> 1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN\_SENT状态，等待Server确认。
> 
> 2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN\_RCVD状态。
> 
> 3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态。
> 
> 完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

**（2）TCP四次挥手**

四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。

在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，整个流程如下图所示：

![format_png 2][]

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，如上图。

> 1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN\_WAIT\_1状态。
> 
> 2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE\_WAIT状态。
> 
> 3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST\_ACK状态。
> 
> 4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME\_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

**（3）为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？**

建立连接时，服务端收到客户端建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。

关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

**2. UDP（user data protocol）用户数据报协议：**

Internet 协议集支持一个无连接的传输协议，该协议称为用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）。

UDP 为应用程序提供了一种**无需建立连接**就可以发送封装的 IP 数据包的方法。

**3. UDP与TCP区别：**

TCP ：面向连接(**经历三次握手**)、传输可靠(保证数据正确性,保证数据顺序)、用于传输大量数据(流模式)、速度慢，建立连接需要开销较多(时间，系统资源)。

UDP：面向非连接、传输不可靠(丢包\[数据丢失\])、用于传输少量数据(数据报包模式)、速度快。发送端和接收端

**4. IP（Internet Protocol）协议**

IP协议又称网际协议，是TCP/IP协议的核心。

它负责Internet上网络之间的通信，并规定了将数据报从一个网络传输到另一个网络所应遵循的规则。

IP协议不但定义了数据传输时的基本单元和格式，还定义了数据报的递交方法和路由选择。

此外，在TCP/IP网络中，主机之间进行通信所必需的地址，也是通过IP协议来实现的。

**（1）IP地址**

是指分配给用户上网使用的网际协议（英语：InternetProtocol,IP）的设备的数字标签。

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

在TCP/IP协议中，这个标识号就是IP地址，它可以唯一标识一台计算机，

目前，IP地址广泛使用的版本是IPv4，它是由4个字节大小的二进制数来表示，由于二进制形式表示的IP地址非常不便记忆和处理，因此通常会将IP地址写成十进制的形式，每个字节用一个十进制数字(0-255)表示，数字间用符号“.”分开，如 “192.168.1.100”。

随着计算机网络规模的不断扩大，对IP地址的需求也越来越多，IPV4这种用4个字节表示的IP地址面临枯竭，因此IPv6 便应运而生了，IPv6使用16个字节表示IP地址，它所拥有的地址容量是IPv4的接近8×10^28倍，达到2^128-1个（全零的不能用），这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。

**（2）端口号**

通过IP地址可以连接到指定计算机，但如果想访问目标计算机中的某个应用程序，还需要指定端口号。

在计算机中，不同的应用程序是通过端口号区分的。

端口号是用两个字节（16位的二进制数）表示的，它的取值范围是0~65535，其中，0~1023之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用，用户的普通应用程序需要使用1024以上的端口号，从而避免端口号被另外一个应用或服务所占用。

### 二、Java网络编程基础概念 ###

网络编程的目的：就是直接或间接地通过网络协议与其他计算机进行通信。即通过使用套接字来达到进程间通信目的。

Java为网络编程提供了支持包 java.net，该包下提供了InetAddress、ULRDecoder、URLEncoder、URL和URLConnection等等很多工具类，这些类可以让我们通过编程的形式访问Web服务器或者其他的服务器。

Java的网络编程主要涉及到的内容是**Socket编程，倒不如说是Java的I/O编程**，因为整个过程中关于服务端和客户端的socket创建也就那么两三行代码，其余的都是操作字节流，字符流等数据传输。

**1、什么是Socket套接字****呢？**

实现网络通信必须将两台计算机连接起来建立一个双向的通信链路，所以，源IP地址和目的IP地址以及源端口号和目的端口号的组合称为套接字。其用于标识客户端请求的服务器和服务。简单说，Socket套接字就是两台主机之间逻辑连接的端点。

套接字（Socket）是一个抽象出来的概念代表在端上的通信链路。

TPC/IP协议是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输，而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。Socket，本质上就是一组接口，是对TCP/IP协议的封装和应用(程序员层面上)。    .

**2、网络编程三要素**

IP地址、端口和协议（数据传递/交互的规则）

**1. IP地址**

**在Java中，使用 java.net.InetAddress 类来表示IP地址**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

//方法等
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            /**
             * static InetAddress getLocalHost()
             *     返回本地主机。
             */
            InetAddress inetAddress = InetAddress.getLocalHost();
            System.out.println(inetAddress); // administrator/192.68.69.10
            /**
             * String getHostName()
             *      获取此IP地址的主机名。
             */
            System.out.println(inetAddress.getHostName()); //administrator
            /**
             * String getHostAddress()
             *      返回文本显示中的IP地址字符串。
             */
            System.out.println(inetAddress.getHostAddress()); //192.68.69.10
            /**
             * byte[] getAddress()
             *      返回此 InetAddress对象的原始IP地址。
             */
            System.out.println(inetAddress.getAddress());
    
            /**
             * static InetAddress getByName(String host)
             *     在给定主机名的情况下确定主机名称的IP地址。
             */
            inetAddress = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
            System.out.println(inetAddress); //www.baidu.com/180.101.49.11
            /**
             * boolean isReachable(int timeout)
             *      测试该地址是否可达。
             */
            System.out.println(inetAddress.isReachable(3000)); //true
        }

**2. 端口（port）**

**在Java中，使用 java.net.InetSocketAddress 类来表示**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

//方法等
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            /** 构造器
             * InetSocketAddress(InetAddress addr, int port)
             *      从IP地址和端口号创建套接字地址。
             * InetSocketAddress(String hostname, int port)
             *      从主机名和端口号创建套接字地址。
             */
            //InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 10000);
            InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(InetAddress.getByName("www.baidu.com"), 10000);
    
            /**
             * String getHostName()
             *      获得 hostname 。
             */
            System.out.println(inetSocketAddress.getHostName()); //www.baidu.com
            /**
             * String getHostString()
             *      如果没有主机名（使用文字创建），则返回主机名或地址的String形式。
             */
            System.out.println(inetSocketAddress.getHostString()); //www.baidu.com
            /**
             * int getPort()
             *      获取端口号。
             */
            System.out.println(inetSocketAddress.getPort()); //10000
            /**
             * InetAddress getAddress()
             *      获得 InetAddress 。
             */
            System.out.println(inetSocketAddress.getAddress()); // www.baidu.com/180.101.49.12
        }

**3. 协议 (protocol)**

协议（Protocol)：网络协议的简称，是对数据格式和计算机之间交换数据时必须遵守的规则的正式描述。

在www上，每一信息资源都有统一且唯一的地址，即统一资源定位符。Uniform Resource Locator，简称URL,      如：https：//localhost：8080/index.html ，有4部分组成。（协议，主机域名或IP，端口号，资源文件名）

**网络三大基石：HTML，HTTP，URL**

>      URI = URL+URN
> 
>      URI：Uniform Resource Identifier ，统一资源标志符。
> 
>      URL：Uniform Resource Locator，统一资源定位符。
> 
>      URN：Uniform Resource Name，统一资源命名。

**在Java中，使用 java.net.URL  类来表示URL**

**3、URLEncoder编码和URLDecoder解码 **

ULRDecoder和URLEncoder的主要作用是实现：普通字符串和application/x-www-form-urlencoded字符串相互转换的功能。

**为什么会有这种转换呢？**

> 网页的 URL 规定只能包含合法的字符，这可以分成两类。
> 
> URL 元字符：分号（;），逗号（’,’），斜杠（/），问号（?），冒号（:），at（@），&，等号（=），                加号（+），美元符号（$），井号（\#）
> 
> 语义字符：a-z，A-Z，0-9，连词号（-），下划线（\_），点（.），感叹号（!），波浪线（~），星号（\*），单引号（‘），圆括号（()）
> 
> 除了以上字符，其他字符出现在 URL 之中都必须转义，规则是根据操作系统的默认编码，将每个字节转为百分号（%）加上两个大写的十六进制字母。比如，UTF-8 的操作系统上，

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

**简单说一下乱码的场景和简单转换时的执行原理：**

首先，form表单提示数据时，默认Content-type：为 application/x-www-form-urlencoded，当然也可以是：multipart/form-data ，multipart/form-data 一般用做form表单以流的形式提交数据时，则设置，enctype为该form-data形式，

不过呢，一般情况下，提交方式为application/x-www-form-urlencoded MIME编码, 当环境等等都已经配置为统一编码后，仍然出现汉字传到后台 被解码处理的情况时（也就是所谓的乱码 ），此时可以尝试，使用URLDecoder进行解码再转换，然后转换为汉字，当然在使用场景上，其实还是有很多情况下需要区分的。

![20190818150310455.png][]

普通字符串和application/x-www-form-urlencoded [MIME类型][MIME]字符串之间的相互转换。

public static void main(String[] args) throws IOException {
            //获取平台默认的字符集
            System.out.println(System.getProperty("file.encoding")); //UTF-8
            String msg = "宝塔镇河妖abc";
    
            //使用UTF-8编码
            String msg1 = URLEncoder.encode(msg,"UTF-8");
            System.out.println(msg1);//%E5%AE%9D%E5%A1%94%E9%95%87%E6%B2%B3%E5%A6%96abc
            //使用UTF-8解码
            String msg2 = URLDecoder.decode(msg1,"UTF-8");
            System.out.println(msg2);//宝塔镇河妖abc       
        }

**4、URL类和URLConnection类**

**1. URL类**

在 java.net 包中包含专门用来处理 URL 的 URL类，可以获得 URL 的相关信息。

URL 的构造方法和常用方法：

![20200816170220979.png][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

//方法等具体查看API
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            URL url = new URL("https://www.baidu.com");
            
            //获取此的授权部分 URL 。
            System.out.println(url.getAuthority());
            //获取此 URL的文件名。
            System.out.println(url.getFile());
            //获取端口
            System.out.println(url.getPort());
            //获取主机
            System.out.println(url.getHost());
            //获得默认端口
            System.out.println(url.getDefaultPort());
            //获得路径
            System.out.println(url.getPath());
            //获取该 URL的userInfo部分。
            System.out.println(url.getUserInfo());
        }

**2. URLConnection 类**

在 java.net 包中，定义了专门的 URLConnection 类来表示与 URL 建立的通信连接。

URLConnection 类的对象使用 URL 类的 openConnection() 方法获得。

> 注意：我们在应用程序和URL链接的时候，使用URLConnection类。
> 
>           当我们HTTP和URL连接的时候，使用URLConnection类的子类HttpURLConnection。

URLConnection 类的主要方法：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

### 三、基于Socket的java网络编程 ###

网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个Socket。Socket通常用来实现客户方和服务方的连接。Socket是TCP/IP协议的一个十分流行的编程界面，但是，Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种，因此两者之间是没有必然联系的。

**一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定。**

Socket编程通信主要涉及到客户端和服务器端两个方面，首先是在服务器端创建一个**服务器套接字(ServerSocket)**，并把它附加到一个端口上，服务器从这个端口监听连接。

客户端请求与服务器进行连接的时候，根据服务器的域名或者IP地址，加上端口号，打开一个套接字。当服务器接受连接后，服务器和客户端之间的通信就像输入输出流一样进行操作。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

在Java环境下，Socket编程主要是指基于**TCP/IP协议的网络编程**。

**1、简单的Client/Server程序 **

需求： 客户端连接服务端时，服务端向客户端发送消息

public class Server {
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            // 1、创建服务器，指定端口 ServerSocket(int port)
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10001);
            // 2、接受连接该服务端的客户端对象，阻塞式
            Socket client = serverSocket.accept();
            System.out.println("一个客户端建立连接，IP:" + client.getInetAddress());
    
            // 3、IO 操作
            // 获取到客户端的输出流对象给客户端输出数据
            boolean accept = true;
            while (accept) {
                String data = "服务器-->:" + client.getInetAddress() + "你来了";
                PrintStream out = new PrintStream(client.getOutputStream());
                out.print(data);
                out.close();
            }
    
            // 4、关闭此套接字。
            //serverSocket.close();
        }
    }

public class Client {
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            // 1、创建客户端必须指定服务器的IP+端口，此时就在连接
            Socket client = new Socket("127.0.0.1",10001);
    
            // 2、IO操作，自动关闭流
            // 获取客户端的输入流对象
            Scanner sc = new Scanner(client.getInputStream());
            while (sc.hasNextLine()) {
                String str = sc.nextLine();
                System.out.println(str);
            }
            sc.close();
    
            // 3、关闭此套接字。
            client.close();
        }
    }

## ##

参考文章：

[Java - 网络编程完全总结][Java -]

[成为高手前必懂的TCP干货][TCP]

[计算机网络漫谈：OSI七层模型与TCP/IP四层（参考）模型][OSI_TCP_IP]

[一文搞懂TCP与UDP的区别][TCP_UDP]

[Java Socket示例 发文件][Java Socket_]

ends~

[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/18763?fr=aladdin
[format_png]: /images/20211013/102252abcaa54298b47f375219b37d4f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211013/0b79c68bb8174c5884d1e9c5528aeac5.png
[format_png 1]: /images/20211013/a3356914401c45cb89382f7828360e41.png
[format_png 2]: /images/20211013/94d81d95e1754648bae01a4dd78c4a29.png
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[MIME]: https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/HTTP/Basics_of_HTTP/MIME_types
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[Java -]: https://www.cnblogs.com/midiyu/p/7875574.html
[TCP]: https://blog.csdn.net/devcloud/article/details/98946090
[OSI_TCP_IP]: https://www.jianshu.com/p/c793a279f698/
[TCP_UDP]: https://www.cnblogs.com/fundebug/p/differences-of-tcp-and-udp.html
[Java Socket_]: https://blog.csdn.net/huangxin388/article/details/80260795