Java网络编程：基础知识详解

网络基础知识

1、OSI分层模型和TCP/IP分层模型的对应关系

OSI: 开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI）

OSI模型层次功能

• 物理层

物理层处于OSI的最底层，是整个开放系统的基础。物理层涉及通信信道上传输的原始比特流(bits)，它的功能主要是为数据端设备提供传送数据的通路以及传输数据。

• 数据链路层

数据链路层的主要任务是实现计算机网络中相邻节点之间的可靠传输，把原始的、有差错的物理传输线路加上数据链路协议以后，构成逻辑上可靠的数据链路。需要完成的功能有链路管理、成帧、差错控制以及流量控制等。其中成帧是对物理层的原始比特流进行界定，数据链路层也能够对帧的丢失进行处理。

• 网络层

网络层涉及源主机节点到目的主机节点之间可靠的网络传输，它需要完成的功能主要包括路由选择、网络寻址、流量控制、拥塞控制、网络互连等。

• 传输层

传输层起着承上启下的作用，涉及源端节点到目的端节点之间可靠的信息传输。传输层需要解决跨越网络连接的建立和释放，对底层不可靠的网络，建立连接时需要三次握手，释放连接时需要四次挥手。

• 会话层和表示层

会话层的主要功能是负责应用程序之间建立、维持和中断会话，同时也提供对设备和结点之间的会话控制，协调系统和服务之间的交流，并通过提供单工、半双工和全双工3种不同的通信方式，使系统和服务之间有序地进行通信。

表示层关心所传输数据信息的格式定义，其主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式，提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。

• 应用层

应用层为OSI的最高层，是直接为应用进程提供服务的。其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务。

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常见网络协议

三次握手与四次挥手

TCP是面向连接的协议，因此每个TCP连接都有3个阶段：连接建立、数据传送和连接释放。连接建立经历三个步骤，通常称为“三次握手”。

TCP三次握手过程如下：

• 第一次握手
  客户机发送连接请求报文段到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。（SYN = 1,seq=x）

• 第二次握手
  服务器收到连接请求报文，如果同意建立连接，向客户机发回确认报文段，并为该TCP连接分配TCP缓存和变量。(SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1)。

• 第三次握手
  客户机收到服务器的确认报文段后，向服务器给出确认报文段，并且也要给该连接分配缓存和变量。此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。(ACK=1,seq=x+1,ack=y+1)。

TCP四次挥手过程如下：

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

• TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送。
• 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
• 服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端。
• 客户端发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

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HTTP请求方法和响应状态码

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2、七层模型与协议的对应关系

网络层 ———— IP（网络之间的互联协议）

传输层 ———— TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）

应用层 ———— Telnet（Internet远程登录服务的标准协议和主要方式）、FTP（文本传输协议）、HTTP（超文本传送协议）

3、IP地址和端口号

1、ip地址用于唯一标示网络中的一个通信实体，这个通信实体可以是一台主机，可以是一台打印机，或者是路由器的某一个端口。而在基于IP协议网络中传输的数据包，必须使用IP 地址来进行标示。ip地址就像写一封信，必须指定收件人的地址一样。每个被传输的数据包中都包括了一个源IP和目标IP。

2、ip地址唯一标示了通信实体，但是一个通信实体可以有多个通信程序同时提供网络服务。这个时候就要通过端口来区分开具体的通信程序。一个通信实体上不能有两个通信程序 使用同一个端口号。

IP地址和端口号，就像一个出差去外地入住酒店一样，IP地址表示了酒店在具体位置，而端口号则表示了这个人在酒店的房间号。

4、TCP和UDP

1、TCP是一种面向连接的保证可靠传输的协议。通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。它能够提供两台计算机之间的可靠的数据流，HTTP、FTP、Telnet等应 用都需要这种可靠的通信通道。

2、UDP是一种无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网络上以任何可能的路径传送目的地，至于能够达到目的地，达到目的地的时 间以及内容的正确性都是不能保证的。

既然有了保证可靠传输的TCP协议，为什么还要非可靠传输的UDP协议呢？原因有两个：

1、可靠的传输是要付出代价的，对数据内容的正确性的检验必然会占用计算机处理时间和网络带宽。因此TCP的传输效率不如UDP高。

2、许多应用中并不需要保证严格的传输可靠性，比如视频会议系统，并不要求视频音频数据绝对正确，只要能够连贯就可以了。所以在这些场景下，使用UDP更合适些。

5、URL访问网上资源

1、URL对象代表统一资源定位器，是指向互联网“资源”的指针。它是用协议名、主机、端口和资源组成，即满足如下格式：

 protocol://host:port/resourceName

 http://www.crazyit.org/index.php

2、通过URL对象的一些方法可以访问该URL对应的资源：

 String getFile():获取该URL的资源名

 String getHost():获取主机名

 String getPath():获取路径部分

 int   getPort():获取端口号

JAVA提供了InetAddress类来代表IP地址。

public static void main(String[] args) throws IOException
    {
        InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();
        System.out.println(address);
        address = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
        System.out.println(address);

    }

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常见问题

到这里，关于计算机网络部分的总结内容就结束了，下面是几个常见的问题，汇总在这里。

• OSI参考模型的分为哪几层，每层的功能？
  OSI，开放系统互连参考模型，它的7个层次自顶到下依次为应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层和物理层。各层的功能见文章开始。

• TCP协议和UDP协议的区别？
  TCP协议是传输控制协议，UDP协议是用户数据报协议，两者都是传输层的协议，主要区别在于前者是可靠的，面向连接的协议，后者是不可靠的，无连接的协议。其它的区别还有，TCP协议传输速度慢，UDP常用于一次性传输比较少量数据的网络应用。

• TCP三次握手为什么不能是两次?
  主要是防止两次握手情况下已经失效的连接请求报文段突然又传送到服务端而产生错误。例如，客户机A向服务器B发送TCP连接请求，第一个连接请求报文在网络的某个节点长时间滞留，A超时后认为报文丢失，于是再重传一次连接请求，B收到后建立连接。数据传输完毕后双方断开连接，而这时之前滞留的连接请求到达了服务端B，而B认为A又发来连接请求。如果两次握手建立连接，A并无连接请求，造成B的资源浪费。

• HTTP请求的GET方法和POST方法的区别？
  GET和POST是HTTP请求的两种方法，主要区别在于GET方法是请求读取由URL所标志的信息，POST是给服务器添加信息。点击查看更多

• 在浏览器中输入网址到显示出页面的整个过程？
  (1) 输出包含域名的网址 (2) 浏览器向DNS请求解析域名对应的IP地址 (3) 域名系统DNS解析出域名对应的IP地址 (4) 浏览器与该服务器建立TCP连接 (5) 浏览器发送HTTP请求 (6) 服务器通过HTTP响应把页面文件发送给浏览器 (7) TCP连接释放 (8) 浏览器解释文件，并显示

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Java 网络编程

网络编程是指编写运行在多个设备（计算机）的程序，这些设备都通过网络连接起来。Java的网络编程主要涉及到的内容是Socket编程，那么什么是Socket呢？简单地说，Socket，套接字，就是两台主机之间逻辑连接的端点。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)。

Socket编程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。端口号的范围是0到65536，但是0到1024是为特权服务保留的端口号，我们可以选择任意一个当前没有被其他进程使用的端口。

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。

java.net 包中 J2SE 的 API 包含有类和接口，它们提供低层次的通信细节。你可以直接使用这些类和接口，来专注于解决问题，而不用关注通信细节。

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Socket 编程

套接字使用TCP提供了两台计算机之间的通信机制。 客户端程序创建一个套接字，并尝试连接服务器的套接字。

当连接建立时，服务器会创建一个 Socket 对象。客户端和服务器现在可以通过对 Socket 对象的写入和读取来进行通信。

java.net.Socket 类代表一个套接字，并且 java.net.ServerSocket 类为服务器程序提供了一种来监听客户端，并与他们建立连接的机制。

以下步骤在两台计算机之间使用套接字建立TCP连接时会出现：

• 服务器实例化一个 ServerSocket 对象，表示通过服务器上的端口通信。

• 服务器调用 ServerSocket 类的 accept() 方法，该方法将一直等待，直到客户端连接到服务器上给定的端口。

• 服务器正在等待时，一个客户端实例化一个 Socket 对象，指定服务器名称和端口号来请求连接。

• Socket 类的构造函数试图将客户端连接到指定的服务器和端口号。如果通信被建立，则在客户端创建一个 Socket 对象能够与服务器进行通信。

• 在服务器端，accept() 方法返回服务器上一个新的 socket 引用，该 socket 连接到客户端的 socket。

连接建立后，通过使用 I/O 流在进行通信，每一个socket都有一个输出流和一个输入流，客户端的输出流连接到服务器端的输入流，而客户端的输入流连接到服务器端的输出流。

TCP 是一个双向的通信协议，因此数据可以通过两个数据流在同一时间发送.以下是一些类提供的一套完整的有用的方法来实现 socket。

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ServerSocket 类的方法

服务器应用程序通过使用 java.net.ServerSocket 类以获取一个端口,并且侦听客户端请求。

ServerSocket 类有四个构造方法：

序号	方法描述
1	public ServerSocket(int port) throws IOException 创建绑定到特定端口的服务器套接字。
2	public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException 利用指定的 backlog 创建服务器套接字并将其绑定到指定的本地端口号。
3	public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress address) throws IOException 使用指定的端口、侦听 backlog 和要绑定到的本地 IP 地址创建服务器。
4	public ServerSocket() throws IOException 创建非绑定服务器套接字。

创建非绑定服务器套接字。 如果 ServerSocket 构造方法没有抛出异常，就意味着你的应用程序已经成功绑定到指定的端口，并且侦听客户端请求。

这里有一些 ServerSocket 类的常用方法：

序号	方法描述
1	public int getLocalPort() 返回此套接字在其上侦听的端口。
2	public Socket accept() throws IOException 侦听并接受到此套接字的连接。
3	public void setSoTimeout(int timeout) 通过指定超时值启用/禁用 SO_TIMEOUT，以毫秒为单位。
4	public void bind(SocketAddress host, int backlog)将 ServerSocket 绑定到特定地址（IP 地址和端口号）。

Socket 类的方法

java.net.Socket 类代表客户端和服务器都用来互相沟通的套接字。客户端要获取一个 Socket 对象通过实例化 ，而 服务器获得一个 Socket 对象则通过 accept() 方法的返回值。

Socket 类有五个构造方法.

序号	方法描述
1	public Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException.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。
2	public Socket(InetAddress host, int port) throws IOException 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。
3	public Socket(String host, int port, InetAddress localAddress, int localPort) throws IOException.创建一个套接字并将其连接到指定远程主机上的指定远程端口。
4	public Socket(InetAddress host, int port, InetAddress localAddress, int localPort) throws IOException. 创建一个套接字并将其连接到指定远程地址上的指定远程端口。
5	public Socket()通过系统默认类型的 SocketImpl 创建未连接套接字 当 Socket 构造方法返回，并没有简单的实例化了一个 Socket 对象，它实际上会尝试连接到指定的服务器和端口。

下面列出了一些感兴趣的方法，注意客户端和服务器端都有一个 Socket 对象，所以无论客户端还是服务端都能够调用这些方法。

当 Socket 构造方法返回，并没有简单的实例化了一个 Socket 对象，它实际上会尝试连接到指定的服务器和端口。

下面列出了一些感兴趣的方法，注意客户端和服务器端都有一个 Socket 对象，所以无论客户端还是服务端都能够调用这些方法。

序号	方法描述
1	public void connect(SocketAddress host, int timeout) throws IOException 将此套接字连接到服务器，并指定一个超时值。
2	public InetAddress getInetAddress() 返回套接字连接的地址。
3	public int getPort() 返回此套接字连接到的远程端口。
4	public int getLocalPort() 返回此套接字绑定到的本地端口。
5	public SocketAddress getRemoteSocketAddress() 返回此套接字连接的端点的地址，如果未连接则返回 null。
6	public InputStream getInputStream() throws IOException 返回此套接字的输入流。
7	public OutputStream getOutputStream() throws IOException返回此套接字的输出流。
8	public void close() throws IOException 关闭此套接字。

InetAddress 类的方法

这个类表示互联网协议(IP)地址。下面列出了 Socket 编程时比较有用的方法：

序号	方法描述
1	static InetAddress getByAddress(byte[] addr)在给定原始 IP 地址的情况下，返回 InetAddress 对象。
2	static InetAddress getByAddress(String host, byte[] addr)根据提供的主机名和 IP 地址创建 InetAddress。
3	static InetAddress getByName(String host)在给定主机名的情况下确定主机的 IP 地址。
4	String getHostAddress() 返回 IP 地址字符串（以文本表现形式）。
5	String getHostName() 获取此 IP 地址的主机名。
6	static InetAddress getLocalHost()返回本地主机。
7	String toString()将此 IP 地址转换为 String。

代码实例

package com.kblsoft.socket;

import java.io.DataInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketTimeoutException;

public class GreetingServer implements Runnable {

    private ServerSocket serverSocket;

    public GreetingServer(int port) throws IOException {
        serverSocket = new ServerSocket(port);
        serverSocket.setSoTimeout(10000);
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                System.out.println("等待远程连接，端口号为：" + serverSocket.getLocalPort() + "...");
                Socket server = serverSocket.accept();
                System.out.println("远程主机地址：" + server.getRemoteSocketAddress());
                DataInputStream in = new DataInputStream(server.getInputStream());
                System.out.println(in.readUTF());
                DataOutputStream out = new DataOutputStream(server.getOutputStream());
                out.writeUTF("谢谢连接我：" + server.getLocalSocketAddress() + "\nGoodbye!");
                server.close();
            } catch (SocketTimeoutException s) {
                System.out.println("Socket timed out!");
                break;
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
                break;
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int port = 6666;
        try
        {
            new Thread(new GreetingServer(port)).start();
            Thread.sleep(2000);
            GreetingClient.connect();
        }catch(IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

package com.kblsoft.socket;

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class GreetingClient {
    public static void connect() {
        String serverName = "localhost";
        int port = 6666;
        try {
            System.out.println("连接到主机：" + serverName + " ，端口号：" + port);
            Socket client = new Socket(serverName, port);
            System.out.println("远程主机地址：" + client.getRemoteSocketAddress());
            OutputStream outToServer = client.getOutputStream();
            DataOutputStream out = new DataOutputStream(outToServer);

            out.writeUTF("Hello from " + client.getLocalSocketAddress());
            InputStream inFromServer = client.getInputStream();
            DataInputStream in = new DataInputStream(inFromServer);
            System.out.println("服务器响应： " + in.readUTF());
            client.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出

等待远程连接，端口号为：6666...
连接到主机：localhost ，端口号：6666
远程主机地址：/127.0.0.1:42500
远程主机地址：localhost/127.0.0.1:6666
Hello from /127.0.0.1:42500
服务器响应： 谢谢连接我：/127.0.0.1:6666
Goodbye!
等待远程连接，端口号为：6666...
Socket timed out!

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参考文章：
* https://www.jianshu.com/p/ae5e1cee5b04
* http://www.runoob.com/java/java-networking.html