06 网络编程基础

目录

1.通信三要素

1. IP地址（Internet Protocol Address）

2. 端口号（Port Number）

3. 协议（Protocol）

2.TCP与UDP协议

三次握手（Three-Way Handshake）

四次挥手（Four-Way Waveoff）

TCP协议编程示例

UDP协议编程示例

1.通信三要素

在网络编程中，通信的三个基本要素是：IP地址、端口号和协议。这三个要素共同确定了一个网络连接的唯一性。下面是对这三个要素的详细解释：

1. IP地址（Internet Protocol Address）

IP地址是互联网协议（Internet Protocol）地址，用于标识网络上的设备。IP地址分为两种主要类型：

• IPv4：32位地址，通常表示为四个十进制数，每个数之间用点号分隔，例如 192.168.1.1。

• IPv6：128位地址，通常表示为八组十六进制数，每组之间用冒号分隔，例如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

2. 端口号（Port Number）

端口号是一个16位的数字，用于标识特定的应用程序或服务。端口号范围从0到65535，其中：

• 0-1023

  ：熟知端口（Well-Known Ports），这些端口号由IANA（Internet Assigned Numbers Authority）分配给特定的服务，例如：

  • HTTP：80

  • HTTPS：443

  • FTP：21

  • SSH：22

• 1024-49151：注册端口（Registered Ports），这些端口号可以由用户和应用程序注册使用。

• 49152-65535：动态或私有端口（Dynamic or Private Ports），这些端口号通常由操作系统动态分配给客户端应用程序。

3. 协议（Protocol）

协议定义了数据在网络上传输的方式和格式。常见的网络协议包括：

• TCP（Transmission Control Protocol）：一种面向连接的、可靠的传输协议，用于保证数据的完整性和顺序。TCP通过三次握手建立连接，通过四次挥手断开连接。

• UDP（User Datagram Protocol）：一种无连接的、不可靠的传输协议，适用于实时应用，如视频流和在线游戏。

• HTTP（Hypertext Transfer Protocol）：用于传输超文本的协议，通常在浏览器和Web服务器之间使用。

• HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）：HTTP的加密版本，使用SSL/TLS协议进行数据加密。

2.TCP与UDP协议

在网络通信中，TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的传输协议。TCP连接的建立和断开分别通过三次握手和四次挥手来完成。

三次握手（Three-Way Handshake）

三次握手是TCP连接建立的过程，确保双方都准备好进行数据传输。以下是三次握手的步骤：

1. 第一次握手：

   • 客户端发送一个SYN（同步序列编号）包到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。

   • SYN包中包含客户端的初始序列号（ISN），记为 Seq=A。

2. 第二次握手：

   • 服务器收到客户端的SYN包后，回复一个SYN+ACK（同步确认）包，表示接受连接请求。

   • SYN+ACK包中包含服务器的初始序列号 Seq=B，以及对客户端SYN包的确认号 Ack=A+1。

   • 服务器进入SYN_RECV状态。

3. 第三次握手：

   • 客户端收到服务器的SYN+ACK包后，发送一个ACK（确认）包，确认收到服务器的SYN+ACK包。

   • ACK包中包含对服务器SYN包的确认号 Ack=B+1，以及自己的序列号 Seq=A+1。

   • 客户端进入ESTABLISHED状态。

   • 服务器收到客户端的ACK包后，也进入ESTABLISHED状态，连接建立完成。

四次挥手（Four-Way Waveoff）

四次挥手是TCP连接断开的过程，确保双方都正确地关闭连接。以下是四次挥手的步骤：

1. 第一次挥手：

   • 客户端发送一个FIN（结束）包到服务器，表示客户端已经没有数据要发送了。

   • 客户端进入FIN_WAIT_1状态。

2. 第二次挥手：

   • 服务器收到客户端的FIN包后，发送一个ACK（确认）包，确认收到客户端的FIN包。

   • ACK包中包含对客户端FIN包的确认号 Ack=A+1，以及自己的序列号 Seq=B。

   • 服务器进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态。

3. 第三次挥手：

   • 服务器发送一个FIN包到客户端，表示服务器也没有数据要发送了。

   • 服务器进入LAST_ACK状态。

4. 第四次挥手：

   • 客户端收到服务器的FIN包后，发送一个ACK包，确认收到服务器的FIN包。

   • ACK包中包含对服务器FIN包的确认号 Ack=B+1，以及自己的序列号 Seq=A+1。

   • 客户端进入TIME_WAIT状态，等待2MSL（最大段生命周期）后完全关闭连接。

   • 服务器收到客户端的ACK包后，进入CLOSED状态，连接完全关闭。

TCP协议编程示例

客户端

public class SocketClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建socketdu对象，指明服务器地址和端口
        Socket socket = new Socket("localhost", 9999);
        System.out.println("连接成功！");
​
        // 向服务器发送数据
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        outputStream.write("Hello, 经验宝宝!".getBytes());
        System.out.println("数据发送成功！");
​
        //给服务端写一个结束标记
        socket.shutdownOutput();
        System.out.println("======以下代码是读取响应的结果======");
​
        // 接收服务器返回的数据
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len;
        while ((len = inputStream.read(buffer))!= -1) {
            System.out.println(new String(buffer, 0, len));
        }
        System.out.println("数据接收成功！");
​
        // 关闭流
        inputStream.close();
        outputStream.close();
​
        // 关闭socket连接
        socket.close();
​
    }
}

服务端

public class SocketServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建服务器socket对象
        ServerSocket sockServer = new ServerSocket(9999);
        System.out.println("服务器启动成功！");
​
        // 等待客户端连接
        Socket socket = sockServer.accept();
        System.out.println("客户端连接成功！");
​
        // 使用socket中的输入输出流进行通信，处理客户端请求
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
​
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len = 0;
        while ((len = inputStream.read(buffer))!= -1) {
            System.out.println(new String(buffer, 0, len));
        }
​
        // 发送响应数据
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        String response = "Hello, 铁头娃!";
        outputStream.write(response.getBytes());
​
        // 关闭输入输出流
        outputStream.close();
        inputStream.close();
        // 关闭服务器socket对象
        socket.close();
        sockServer.close();
    }
}

在网络编程中，客户端和服务器之间的通信需要明确的数据边界。如果客户端发送的数据没有明确的结束标记，服务器可能会一直等待更多的数据，而客户端则可能因为没有收到响应而卡住。解决这个问题的方法有几种：

1. 固定长度的消息：客户端和服务器之间约定每条消息的固定长度。

2. 特殊字符作为结束标记：客户端在消息末尾添加一个特殊的结束标记，服务器在读取到这个标记后停止读取。

3. 数据包大小作为前缀：客户端在发送消息之前先发送消息的长度，服务器根据这个长度读取完整的消息。

通过这些方法，你可以确保客户端和服务器之间的通信具有明确的数据边界，避免因缺少结束标记而导致的问题。

UDP协议编程示例

发送端

public class DataGramSend {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建一个DatagramSocket，用于发送数据报
        // 无参：默认创建的DatagramSocket的端口号是0，表示系统自动分配一个可用端口号
        // 有参：创建的DatagramSocket的端口号是指定的端口号
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        System.out.println("DatagramSocket创建成功！");
​
        // 创建DatagramPacket，用于封装要发送的数据
        // 第一个参数：发送的数据
        // 第二个参数：发送数据的长度
        // 第三个参数：接收方的IP地址
        // 第四个参数：接收方的端口号
        byte[] data = "Hello, 菊花侠!".getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 8888);
        System.out.println("DatagramPacket创建成功！");
​
        // 发送数据报
        socket.send(packet);
        System.out.println("数据报发送成功！");
​
        // 关闭DatagramSocket
        socket.close();
        System.out.println("DatagramSocket关闭成功！");
    }
}

注意：UDP是不可靠的、无连接的通信，即使在没有接收端的情况下发送端也可以发送数据。

接收端

public class DataGramReceive {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建 DatagramSocket，用于接收数据报
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8888);
        // 创建 byte 数组，用于接收数据
        byte[] buffer = new byte[1024];
        // 接收数据报，并将数据写入 buffer
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
        socket.receive(packet);
​
        // 打印接收到的内容
        String message = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength());
        System.out.println("接收到的数据报：" + message);
​
        // 关闭 DatagramSocket
        socket.close();
    }
}