Java网络编程(网络基础(IP&端口号&网络通信协议)、TCP编程、UDP编程和URL编程原理以及常用方法的实例)

其他 2019-10-24 11:39:16 阅读次数: 0
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网络编程

网络基础概述

计算机网络：

  把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息、共享硬件、软件、数据信息等资源。

网络编程的目的：

​ 直接或间接地通过网络协议与其它计算机实现数据交换，进行通讯。

网络编程中有两个主要的问题：

  • 如何准确地定位网络上一台或多台主机；定位主机上的特定的应用。

  • 找到主机后如何可靠高效地进行数据传输。

网络通信要素概述

  • IP和端口号
  • 网络通信协议

IP地址：InetAddress

  • 唯一的标识 Internet 上的计算机（通信实体）

  • 本地回环地址(hostAddress)：127.0.0.1 主机名(hostName)：localhost

  • IP地址分类方式1：IPV4 和 IPV6

    • IPV4：4个字节组成，4个0-255。大概42亿，30亿都在北美，亚洲4亿，中国2.9亿。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:db39:1984

  • IP地址分类方式2：公网地址(万维网使用)和私有地址(局域网使用)。192.168.开头的就是私有址址，范围即为192.168.0.0–192.168.255.255，专门为组织机构内部使用。

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。
  • 被规定为一个 16 位的整数 0~65535。
  • 端口分类：
    • 公认端口：0~1023。被预先定义的服务通信占用（如：HTTP占用端口80，FTP占用端口21，Telnet占用端口23）
    • 注册端口：1024~49151。分配给用户进程或应用程序。（如：Tomcat占用端口8080，MySQL占用端口3306，Oracle占用端口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。
     

下面具体说说java是怎么实现ip地址的

InetAddress类

  • Internet上的主机有两种方式表示地址：

    • 域名(hostName)：www.baidu.com
    • IP 地址(hostAddress)：61.135.169.125

  • InetAddress类主要表示IP地址，两个子类：Inet4Address、Inet6Address。

  • InetAddress 类对象含有一个 Internet 主机地址的域名和IP地址：www.baidu.com 和 61.135.169.125。

  • 域名解析：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。
    在这里插入图片描述

  • 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()//获取本地域名和IP地址
    • public static InetAddress getByName(String host):获取IP地址

  • InetAddress提供了如下几个常用的方法

    • 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。
InetAddress方法测试：
import java.net.InetAddress;
import org.junit.Test;

public class InetAddressTest {	
	@Test
	public void test1() throws Exception{
		InetAddress ia = InetAddress.getByName("192.168.30.98");//获取IP所在地址
		//获取ia所包含的域名
		String hostName = ia.getHostName();
		//获取ia所包含的IP地址
		String hostAddress = ia.getHostAddress();
		//获取本机的域名和IP地址
		InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();	
		
		System.out.println(hostAddress);
		System.out.println(localHost);
		System.out.println(hostName);
	}
}

网络协议

在这里插入图片描述

各层的功能：

  • 应用层提供应用程序的网络接口。

  • 传输层的基本功能是为两台主机间的应用程序提供端到端的通信。传输层从应用层接受数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。

  • 网络层的主要协议有IP（Internet protocol）、ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议）、IGMP（Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议）、ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）和RARP（Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议）等。涉及寻址和路由选择

  • 物理层和数据链路层涉及物理介质访问和二进制数据流传输。

一些具体协议：

  • TCP/IP 是基于 TCP 和 IP 这两个最初的协议之上的不同的通信协议的大的集合。又称为TCP/IP协议族。
    – TCP - 传输控制协议
    – TCP 用于从应用程序到网络的数据传输控制。
    – TCP 负责在数据传送之前将它们分割为 IP 包，然后在它们到达的时候将它们重组。

  • IP - 网际协议
    – IP 负责计算机之间的通信。
    – IP 负责在因特网上发送和接收数据包。

  • HTTP - 超文本传输协议
    – HTTP 负责 web 服务器与 web 浏览器之间的通信。
    – HTTP 用于从 web 客户端（浏览器）向 web 服务器发送请求，并从 web 服务器向 web 客户端返回内容（网页）。

  • HTTPS - 安全的 HTTP
    – HTTPS 负责在 web 服务器和 web 浏览器之间的安全通信。。

  • SSL - 安全套接字层
    – SSL 协议用于为安全数据传输加密数据。

  • SMTP - 简易邮件传输协议
    – SMTP 用于电子邮件的传输。

  • FTP - 文件传输协议
    – FTP 负责计算机之间的文件传输。

  • DHCP - 动态主机配置协议
    – DHCP 用于向网络中的计算机分配动态 IP 地址。

  • ICMP - 因特网消息控制协议
    – ICMP 负责网络中的错误处理。

  • ARP - 地址解析协议
    – ARP - 用于通过 IP 来查找基于 IP 地址的计算机网卡的硬件地址。

下面具体说说TCP协议
TCP三次握手原理：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5vMMg38v-1569921271078)(C:\Users\User\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1569918067726.png)]
1.客户端通过向服务器端发送一个SYN来创建一个主动打开，作为三路握手的一部分。客户端把这段连接的序号设定为随机数 A。

2.服务器端应当为一个合法的SYN回送一个SYN/ACK。ACK 的确认码应为 A+1，SYN/ACK 包本身又有一个随机序号 B。

3.最后，客户端再发送一个ACK。当服务端受到这个ACK的时候，就完成了三路握手，并进入了连接创建状态。此时包序号被设定为收到的确认号 A+1，而响应则为 B+1。

TCP四次挥手原理：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PMZAeuCl-1569921271080)(C:\Users\User\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1569918166089.png)]
客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在socket编程中，任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。
（1）客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送。
（2）服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
（3）服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A。
（4）客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

 
说完原理就要说说Java开发网络应用程序所需要用到的套接字Socket了。

使用Socket注意事项：

  • 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符套接字。
  • 通信的两端都要有Socket，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客户端，等待通信请求的为服务端。
  • 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符套接字。

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：

  • public InputStream getInputStream()返回此套接字的输入流。可以用于接收网络消息
  • public OutputStream getOutputStream()返回此套接字的输出流。可以用于发送网络消息
  • public InetAddress getInetAddress()此套接字连接到的远程 IP 地址；如果套接字是未连接的，则返回 null。
  • public InetAddress getLocalAddress()获取套接字绑定的本地地址。 即本端的IP地址
  • public int getPort()此套接字连接到的远程端口号；如果尚未连接套接字，则返回 0。
  • public int getLocalPort()返回此套接字绑定到的本地端口。 如果尚未绑定套接字，则返回 -1。即本端的端口号。
  • public void close()关闭此套接字。套接字被关闭后，便不可在以后的网络连接中使用（即无法重新连接或重新绑定）。需要创建新的套接字对象。 关闭此套接字也将会关闭该套接字的 InputStream 和 OutputStream。
  • public void shutdownInput()如果在套接字上调用 shutdownInput() 后从套接字输入流读取内容，则流将返回 EOF（文件结束符）。 即不能在从此套接字的输入流中接收任何数据。
  • public void shutdownOutput()禁用此套接字的输出流。对于 TCP 套接字，任何以前写入的数据都将被发送，并且后跟 TCP 的正常连接终止序列。 如果在套接字上调用 shutdownOutput() 后写入套接字输出流，则该流将抛出 IOException。 即不能通过此套接字的输出流发送任何数据。

TCP编程网络编程

基于Socket的TCP编程

客户端Socket的工作过程包含以下四个基本的步骤：

  • 创建 Socket：根据指定服务端的 IP 地址或端口号构造 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。
  • 打开连接到 Socket 的输入/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
  • 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程。
  • 关闭 Socket：断开客户端到服务器的连接，释放线路 。

服务器程序的工作过程包含以下四个基本的步骤：

  • 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。
  • 调用 accept()：监听连接请求，如果客户端请求连接，则接受连接，返回通信套接字对象。
  • 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。
  • 关闭ServerSocket和Socket对象：客户端访问结束，关闭通信套接字。

 

下面做一个练习来说明客户端与服务器的运行原理：

客户端发送内容给服务器，服务端将内容打印到控制台,IP地址和端口号封装为一个套接字。

代码如下：

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

import org.junit.Test;
/*
客户端发送内容给服务器，服务端将内容打印到控制台
IP地址和端口号封装为一个套接字
 */
public class TCPTest1 {
	@Test
	public void client(){
		
		Socket socket = null;
		OutputStream os = null;
		try {
			//1、创建Socket的实例，指明对方的ip
			InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
			socket = new Socket(address,9898);
			
			//2、获取输出流，用来发送数据给服务器
			os = socket.getOutputStream();
			//3、发送数据
			os.write("hello, I am lily".getBytes());
			os.write("你是说我怎么了吗哈".getBytes());
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}finally{
			//4、资源的关闭
			try {
				if(os != null)
					os.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			try {
				if(socket != null)
					socket.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}		
		}		
	}
	
	@Test
	public void server(){
		ServerSocket server = null;
		Socket socket = null;
		InputStream is = null;
		try {
			//1、准备一个ServerSocket
			server = new ServerSocket(9898);
			//2、监听一个客户端的连接
			socket = server.accept();
			is = socket.getInputStream();
			//3、获取输入流，用来接收客户端发送给服务器的数据
			ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
			//4、通信，接收数据
			byte[] buf = new byte[20];
			int len;
			while((len = is.read(buf)) != -1){
				//方式二
				baos.write(buf, 0, len);
				//方式一
//				String str = new String(buf,0,len);
//				System.out.println(str);
			}
			System.out.println(baos.toString());
			
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}finally{
			//5、关闭资源
			try {
				if(is != null)
					is.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			try {
				//关闭socket，不再与该客户端通信
				if(socket != null)
					socket.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			try {
				//如果不在接收任何客户端通讯，可以关闭ServlerSocket
				if(server != null)
					server.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			
		}
		
	}
}

UDP网络编程

UDP网络通信

  • 类 DatagramSocket 和 DatagramPacket 实现了基于 UDP 协议网络程序。
  • 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

  • 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。当此方法返回时，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。
  • lpublic 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网络编程的流程

  1. DatagramSocket与DatagramPacket。
  2. 建立发送端，接收端。
  3. 建立数据包。
  4. 调用Socket的发送、接收方法。
  5. 关闭Socket。

UDP发送/接收数据的实例：

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

import org.junit.Test;

public class UDPTest {
	@Test
	public void send() throws IOException{ //发送端
		//1、创建DatagramSocket的实例建立发送端
		DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
		byte[] buf = "你不过来？那我过去了。".getBytes();
		//2、建立数据包
		DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf,0
				,buf.length,InetAddress.getByName("127.0.0.1"),9090);
		//3、发送
		socket.send(packet);
		//4、关闭socket
		socket.close();
	}
	@Test
	public void receive() throws IOException{//接收端
		//1、创建DatagramSocket，建立接收端
		DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9090);
		//2、建立数据包
		byte[] buff = new byte[1024];
		DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buff,0,buff.length);
		//3、接收
		socket.receive(packet);
		String str = new String(packet.getData(),0,packet.getLength());
		System.out.println(str);
		//4、关闭socket
		socket.close();
		
		
	}

}

TCP和UDP说完了，比较一下优缺点吧

  • 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，点对点通信，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，需释放已建立的连接，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64K内。
    • 发送不管对方是否准备好，接收方收到也不确认，故是不可靠的。
    • 可以广播发送。
    • 发送数据结束时无需释放资源，开销小，速度快。

URL编程

  • URL(Uniform Resource Locator)：统一资源定位符，它表示 Internet 上某一资源的地址。
  • 它是一种具体的URI，即URL可以用来标识一个资源，而且还指明了如何locate这个资源。
  • 通过 URL 我们可以访问 Internet 上的各种网络资源，比如最常见的 www，ftp 站点。浏览器通过解析给定的 URL 可以在网络上查找相应的文件或其他资源。
  • URL的基本结构由5部分组成：
  • <传输协议>://<主机名>:<端口号>/<文件名>#片段名?参数列表
  • 例如: http://192.168.1.100:8080/helloworld/index.jsp#a?username=shkstart&password=123
  • #片段名：即锚点，例如看小说，直接定位到章节
  • 参数列表格式：参数名=参数值&参数名=参数值…

URL类构造器

  • public URL (String spec)：通过一个表示URL地址的字符串可以构造一个URL对象。
  • public URL(URL context, String spec)：通过基 URL 和相对 URL 构造一个 URL 对象。例如：URL downloadUrl = new URL(url, “download.html")
  • public URL(String protocol, String host, String file);
  • public URL(String protocol, String host, int port, String file); port端口号

URL类常用方法

  • public String getProtocol( ) 获取该URL的协议名
  • public String getHost( ) 获取该URL的主机名
  • public String getPort( ) 获取该URL的端口号
  • public String getPath( ) 获取该URL的文件路径
  • public String getFile( ) 获取该URL的文件名
  • public String getQuery( ) 获取该URL的查询名
  • public URLConnection openConnection() 从网络上读取数据

URLConnection

  若希望输出数据，例如向服务器端的 CGI （公共网关接口-Common
Gateway）程序发送一些数据，则必须先与URL建立连接，然后才能对其进行读写，此时需要使用URLConnection 。

  URLConnection 表示到URL所引用的远程对象的连接。当与一个URL建立连接时，首先要在一个URL对象上通过方法openConnection()生成对应的URLConnection 对象。

URLConnection类一些方法

  • public Object getContent( ) throws IOException：获取此 URL 连接的内容。
  • public int getContentLength( )：返回 content-length 头字段的值。
  • public String getContentType( )：返回 content-type 头字段的值。
  • public long getDate( )：返回 date 头字段的值。
  • public long getLastModified( )：返回 last-modified 头字段的值。
  • public InputStream getInputStream( )throws IOException：返回从此打开的连接读取的输入流
  • public OutputSteram getOutputStream( )throws IOException：返回写入到此连接的输出流。

下面写一个对url类方法的测试：

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.URL;

public class URLTest {
	public static void main(String[] args) {
		HttpURLConnection urlConnection = null;
		InputStream is = null;
		FileOutputStream fos = null;
		try {
			URL url = new URL("https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1566392984693&di=be78eb5e3d0fcedddfa41c8fda3715ff&imgtype=0&src=http%3A%2F%2Fb-ssl.duitang.com%2Fuploads%2Fitem%2F201602%2F15%2F20160215231800_zrCN8.jpeg");
			System.out.println("协议名："+url.getProtocol());
			System.out.println("主机名："+url.getHost());
			System.out.println("端口名："+url.getPort());
			System.out.println("文件路径："+url.getPath());
			System.out.println("文件名："+url.getFile());
			System.out.println("查询名："+url.getQuery());
			urlConnection = (HttpURLConnection)url.openConnection();
			
			urlConnection.connect();  //获得连接
			is = urlConnection.getInputStream();
			fos = new FileOutputStream("路飞2.jpeg");
			
			byte[] buffer = new byte[1024];
			int len;
			while((len = is.read(buffer)) != -1){
				fos.write(buffer, 0, len);
			}
		}catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}finally{
			try {
				if(fos != null)
					fos.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			try {
				if(is != null)
					is.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			if(urlConnection != null)
				urlConnection.disconnect();			
		}
	}
}

经常有人对URI、URL和URN分不清，在这里说说它们的区别吧

​   URI，是uniform resource identifier，统一资源标识符，用来唯一的标识一个资源。而URL是uniform resource locator，统一资源定位符，它是一种具体的URI，即URL可以用来标识一个资源，而且还指明了如何locate这个资源。而URN，uniform resource name，统一资源命名，是通过名字来标识资源，比如mailto:[email protected]。也就是说，URI是以一种抽象的，高层次概念定义统一资源标识，而URL和URN则是具体的资源标识的方式。URL和URN都是一种URI。

  那么关于网络编程的内容基本上说的差不多了，觉得写的不错的关注一下呗，以后有更多的优质文章更新的。蟹蟹~~~

上一篇文章：JavaIO流_下(NIO.2中Path、Paths、Files类的使用)

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