2022-08-11 java之 网络编程

目录

• 一、概述
• 二、网络编程三要素
  • 1.IP端口
  • 2.端口
  • 3.协议
  • 一、 IP地址
    • 1. 是网络中设备的唯一标识 IP地址分为两大类 
    • 2. ip地址常用命令
    • 3. IP地址操作类-InetAddress
  • 二.端口
  • 三.协议
    • 1.UDP协议
      • 1.1 UDP通信原理
      • 2.2 UDP发送数据
      • 2.3UDP接收数据
    • 2.TCP协议
      • 2.1 OSI 七层协议 -> Tcp/Ip协议
      • 2.2TCP协议详情
      • 2.3 三次握手
      • 2.4（面试题）TCP 三次握手（详细）
      • 2.4（面试题）为什么TCP握手需要三次？
      • 2.5 四次挥手（TCP断开连接）
      • 2.6(面试题)为什么TCP挥手需要四次？
      • 2.7(面试题)TCP和UDP的区别
      • 2.8(面试题)用户在浏览器输入一个URL并回车，这个过程设计那些网络协议

一、概述

• 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
• 网络编程
  在网络通信协议下，实现网络互连的不同计算机上运行的程序间可以进行数据交换

二、网络编程三要素

1.IP端口

要想让网络中的计算机能够 互相通信,必须为每台计算机指定一个标识号, 通过这个标识号来指定要接收数据的计算机和识别发送的计算机，而P地址就是这个标识号。也就是设备的标识

2.端口

网络的通信，本质上是两个应用程序的通信。每台计算机都有很多的应用程序,那么在网络通信时，如何区分这些应用程序呢?如果说IP地址可以唯一标识网络中的设备 ，那么端口号就可以唯一标识设备中的应用程序了。也就是应用程序的标识

3.协议

通过计算机网络可以使多台计算机实现连接,位于同一个网络中的计算机在进行连接和通信时需要遵守定的规则，这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样。在计算机网络中，这些连接和通信的规则被称为网络通信协议,它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统规定,通信双方必须同时遵守才能完成数据交换。常见的协议有UDP协议和TCP协议

一、 IP地址

1. 是网络中设备的唯一标识 IP地址分为两大类 

• IPv4：是给每个连接在网络上的主机分配一个32bit地址。按照TCP/IP规定，IP地址用二 进制来表示，每个IP地址长32bit，也就是4个字节。例如一个采用二进制形式的IP地址 是“11000000 10101000 00000001 01000010”，这么长的地址，处理起来也太费劲 了。为了方便使用，IP地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号“.”分隔不同的字 节。于是，上面的IP地址可以表示为“192.168.1.66”。IP地址的这种表示法叫做“点分十 进制表示法”，这显然比1和0容易记忆得多

• IPv6：由于互联网的蓬勃发展，IP地址的需求量愈来愈大，但是网络地址资源有限，使得 IP的分配越发紧张。为了扩大地址空间，通过IPv6重新定义地址空间，采用128位地址长 度，每16个字节一组，分成8组十六进制数，这样就解决了网络地址资源数量不够的问题

2. ip地址常用命令

• DOS常用命令： ipconfig：查看本机IP地址
• ping IP地址：检查网络是否连通
• 特殊IP地址： 127.0.0.1：是回送地址，可以代表本机地址，一般用来测试使用 localhost

3. IP地址操作类-InetAddress

InetAddress类概述:
一个该类的对象就代表一个IP地址对象。

InetAddress类成员方法：
static InetAddress getLocalHost()

• 获得本地主机IP地址对象。
  static InetAddress getByName(String host)
• 根据IP地址字符串或主机名获得对应的IP地址对象。
  String getHostName()
• 获得主机名。
  String getHostAddress()
• 获得IP地址字符串。

/**
* @program: java20220808
* @description:IP地址操作类-InetAddress
* @author: beibei
* @create: 2022-08-11 22:18
*/
public class InetAddressDemo {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1.获取本机地址对象。
InetAddress ip1 = InetAddress.getLocalHost();
System.out.println("-------------------");
System.out.println(ip1.getHostName());
System.out.println(ip1.getHostAddress());

// 2.获取域名ip对象
InetAddress ip2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
System.out.println("-------------------");
System.out.println(ip2.getHostName());
System.out.println(ip2.getHostAddress());

// 3.获取公网IP对象。
InetAddress ip3 = InetAddress.getByName("112.80.248.76");
System.out.println("-------------------");
System.out.println(ip3.getHostName());
System.out.println(ip3.getHostAddress());

// 4.判断是否能通： ping 5s之前测试是否可通
System.out.println(ip3.isReachable(5000));
}
}

二.端口

端口:
设备.上应用程序的唯一标识
端口号:
用两个字节表示的整数，它的取值范围是0_65535中，01023之间的端口号用于些知名的网
络服务和应用，普通的应用程序需要使用1024以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用,会导致当前程序启动失败。（失败咋换个端口号就行！！！）

三.协议

协议:
计算机网络中,连接和通信的规则被称为网络通信协议

1.UDP协议

• 用户数据报协议（User Datagram Protocol）
• UDP是无连接通信协议，在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接，就是一台计算机向另一台计算机发送数据是，发送端不会确认接收端是否存在，就会发送数，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据
  由于使用UDP协议消耗的资源少，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输
  例如视频会议通常采用UDP协议, 因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包， 也不会对接收结果产生太大影响。但是在使用UDP协议传送数据时,由于UDP的面向无连接性,不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议。

1.1 UDP通信原理

UDP协议是一种不可靠的网络协议， 它在通信的两端各建立一个Socket对象, 但是这两个Socket只是发送，接收数据的对象因此对于基于UDP协议的通信双方而言,没有所谓的客户端和服务器的概念
Java提供了DatagramSocket类作为基于UDP协议的Socket

2.2 UDP发送数据

发送数据的步骤（粗略版）

1. 创建发送端的Socket对象(DatagramSocket)
2. 创建数据， 并把数据打包
3. 调用DatagramSocket对象的方法发送数据
4. 关闭发送端

发送数据的步骤（详细版）

1. 创建发送端的Socket对象(DatagramSocket)
   DatagramSocket)
2. 创建数据, 并把数据打包
   DatagramPacket(byteI] buf, int length, InetAddress address, int port)
3. 调用DatagramSocket对象的方法发送数据
   void send(DatagramPacket p)
4. 关闭发送端
   void close0

public class UDPFa {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("=====客户端启动======");

// 1、创建发送端对象：发送端自带默认的端口号（人）
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(6666);

// 2、创建一个数据包对象封装数据
/**
public DatagramPacket(byte buf[], int length,
InetAddress address, int port)
参数一：封装要发送的数据
参数二：发送数据的大小
参数三：服务端的主机IP地址
参数四：服务端的端口
*/
byte[] buffer = "北北，有一个好工作".getBytes();
DatagramPacket packet = new DatagramPacket( buffer, buffer.length,
InetAddress.getLocalHost() , 8888);

// 3、发送数据出去
socket.send(packet);

socket.close();
}
}

2.3UDP接收数据

接收数据的步骤

1. 创建接收端的Socket对象(DatagramSocket)
   DatagralfiSocket(int port)
2. 创建一个数据包， 用于接收数据
   DatagramPacket(byte[] buf, int length)
3. 调用DatagramSocke对象的方法接收数据
   void receive(DatagramPacketp)
4. 解析数据包， 并把数据在控制台显示
   byte[] getData()
   int getLength()
5. 关闭接收端
   void close()

public class UDPShou {
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println("=====服务端启动======");
// 1、创建接收端对象：注册端口（人）
DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8888);

// 2、创建一个数据包对象接收数据（韭菜盘子）
byte[] buffer = new byte[1024 * 64];
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);

// 3、等待接收数据。
socket.receive(packet);

// 4、取出数据即可
// 读取多少倒出多少
int len = packet.getLength();
String rs = new String(buffer,0, len);
System.out.println("收到了：" + rs);

// 获取发送端的ip和端口
String ip =packet.getSocketAddress().toString();
System.out.println("对方地址：" + ip);

int port = packet.getPort();
System.out.println("对方端口：" + port);

socket.close();
}
}

2.TCP协议

2.1 OSI 七层协议 -> Tcp/Ip协议

2.2TCP协议详情

传输控制协议（Transmission Control Protocol）

• TCP协议是面向连接的通信协议，即传输数据之前，在发送端和接收端机理逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠没有差错的数据传输，在TCP连接中必须明确客户端和服务端，向客户端向服务端发出连接请求，每次连接的创建都经过“三次握手”
• 三次握手：即在TCP协议中，在发送数据的准备阶段时，客户端和服务端需要进行三次握手，来保证连接的可靠
  · 完成三次握手，建立连接后，客户端就可以开始进行数据传输了，由于这种面向连接的特性，TCP协议可以保证传输数据的安全，应用在上传文件、下载文件、浏览网页

2.3 三次握手

• 第一次握手：客户端向服务器端发送请求，等待服务器确认
• 第二次握手：服务器向客户端回送一个响应，通知客户端收到了连接请求
• 客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接

TCP发送：

public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {

System.out.println("客户端发送数据");
//1.Socket(ip,port)确实连接到哪里
Socket socket=new Socket("localhost",6666);
//2.获取流对象，输出流
OutputStream os=socket.getOutputStream();
//3.组装数据
os.write("你好 TCP，我来了".getBytes());
System.out.println("========接收并回写==========");
//4.通过Socket，获取输入流对象
InputStream in=socket.getInputStream();
//5.读写数据
byte[] b=new byte[100]; int len=in.read(b);
System.out.println(new String(b,0,len));

//6.关闭资源
in.close();
os.close();
socket.close();

}
}

TCP接收：

public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println("服务器端启动，等待连接.....");
//1.创建ServerSocket对象，绑定端口，开始等待连接
ServerSocket ss=new ServerSocket(6666);
//2.接收accept方法，返回的是Socket对象
Socket serverSocket=ss.accept();
InputStream is=serverSocket.getInputStream();
//4.一次性读取数据
//4.1创建了字节数组
byte[] b=new byte[1024];
//4.2 将数据读取到字节数组中
int len=is.read(b);
//4.3 解析数组，打印字符串信息
String msg=new String(b,0,len);
System.out.println(msg);
System.out.println("===========回写数据==============");
//5 通过socket获取输出流
OutputStream out= serverSocket.getOutputStream();
//6.回写数据
out.write("我很好，谢谢你".getBytes());
//7.关闭资源
is.close();
ss.close();
}

}

2.4（面试题）TCP 三次握手（详细）

1. 第一次握手，客户端发送syn（SYN 同步序列编号）包到服务器端，客户端进入syn进入syn_send状态，等待服务器
   端确认
2. 第二次握手，服务器端向客户端回送一个SYN+ACK包（Aclkownledge character）即是确认字符，服务端进入syn_recv状态
3. 第三次握手，客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接，ACK包，此时客户端和服务器进入established状态
4. 握手过程中传送的包不包含任何数据，连接建立后才会开始传送数据，理想状态下， TCP连接一旦建立，在通信双方的任何一方主动关闭连接前，TCP连接都会一直保持下去

2.4（面试题）为什么TCP握手需要三次？

TCP是可靠的传输控制协议，三次握手能保证数据可靠传输又能提高传输效率。
如果TCP握手二次：
客户端发送syn，进入到closeed状态，服务端一直等待，这样浪费了服务器端资源。

如果TCP握手四次：

1. client给 server发送SYN同步报文；
2. server收到SYN后，给 client回复ACK确认报文；
3. server给 client发送SYN同步报文；
4. client给 server发送ACK确认报文。

相当于服务器多发了一次TCP报文，降低了连接速度和效率。

2.5 四次挥手（TCP断开连接）

第一次挥手：TCP客户端发送一个FIN报文，用来关闭服务器的数据传送，告诉对方步伐数据
第二次挥手：服务区收到这个报文，给他发回一个报文，确认序号为收到的序号加1
第三次挥手：服务器端关闭客户端的连接，告诉对方，我不给你发送数据了，发送一个FIN报文给客户端
第四次挥手：主动关闭方客户端发回ACK确认，并将确认序列号设置为收到序号加1.完成四次挥手

2.6(面试题)为什么TCP挥手需要四次？

因为TCP连接是全双工的网络协议，允许同时通信的双方同时进行数据的收发，同样也允许收发 两个方向的连接被独立关闭，关闭TCP连接需要进行四次连接，每次关闭一个方向上的连接需要 FIN和ACK两次握手。

2.7(面试题)TCP和UDP的区别

TCP和UDP都属于传输层协议，他们之前的区别在于:

• TCP是面向连接的，UDP是无连接的
• TCP是可靠的，UDP是不可靠的
• TCP只支持点对点通信；UDP支持一对一、一对多、多对一、多对多的通信模式
• TCP是面向字节流的；UDP是面向报文的
• TCP有拥塞控制机制；UDP没有拥塞控制，适合媒体通信。
• TCP首部开销（20个字节），比UDP的首部开销（8个字节）要大。

2.8(面试题)用户在浏览器输入一个URL并回车，这个过程设计那些网络协议

首先：根据解析域名根据DNS服务器找到对应的IP地址，DNS服务器是基于UDP的，因此会用到UDP协议
得到IP后浏览器与服务去器要建立一个连接，这就需要TCP协议，HTTP生成一个请求报文，接下来到传输层，要选择传输协议，用TCP或者UDP，然后到达网络层，将通过P协议将IP地址封装为IP数据报，然后会用到ARP协议。

详细：

1. 首先进行域名解析，浏览器搜索自己的DNS缓存，缓存中维护一张域名与IP地址的对应表。 若没有，则搜索操作系统的DNS缓存；若没有，则将域名发送至本地域名服务器（递归査询 方式），本地域名服务器査询自己的DNS缓存，查找成功则返回结果，否则，本地的DNS服 务器向根域名服务器发出查询请求，根域名服务器告知该域名的级域名服务器，然后本地服 务器给该一级域名服务器发送查询请求，然后依次类推直到查询到该域名的IP地址。DNS服 务器是基于UDP的，因此会用到UDP协议。
2. 得到IP地址以后，浏览器就要与服务器建立一个HTTP连接，因此要用到HTTP协议。HTTP 生成一个GET请求报文。
3. 接下来到了传输层，选择传输协议，TCP或者UDP,TCP是可靠的传输控制协议，对HTP请 求进行封装，加入了端口号等信息。
4. 然后到了网络层，通过IP协议将IP地址封装为IP数据报；然后此时会用到ARP协议，主机发 送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确 定目标的物理地址，找到目的MAC地址。
5. 接下来到了数据链路层，把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部，封装为MAC帧，现在 根据目的mac开始建立TCP连接，三次握手，接收端在收到物理层上交的比特流后，根据首 尾的标记，识别帧的开始和结束，将中间的数据部分上交给网络层，然后层层向上传递到应 用层
6. 服务器响应请求并请求客户端要的资源，传回给客户端。
7. 断开TCP连接，浏览器对页面进行渲染呈现给客户端。