1-Java网络编程

1 网络分层

通过网络将数据从一台主机发送到另外的主机，这个过程是通过计算机网络通信来完成。网络通信的不同方面被分解为多个层，层与层之间用接口连接。

1.1 OSI模型

OSI模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

OSI参考模型过于庞大，因此后续提出了TCP/IP协议栈参考模型，简化了OSI参考模型，由于TCP/IP协议栈的简单，获得了广泛的应用。

1.2 TCP/IP模型

TCP/IP，即Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，是Internet最基本的协议，Internet国际互联网络的基础。

TCP/IP协议是一个开放的网络协议簇，它的名字主要取自最重要的网络层IP协议和传输层TCP协议。TCP/IP协议定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP/IP参考模型采用4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求，这4个层次分别是：网络接口层、网络层（IP层）、传输层（TCP层）、应用层。

网络接口层：在TCP/IP协议中，网络接口层位于第四层。由于网络接口层兼并了物理层和数据链路层所以，网络接口层既是传输数据的物理媒介，也可以为网络层提供一条准确无误的线路。该层负责接收IP数据报并进行传输，从网络上接收物理帧，抽取IP数据报转交给下一层
网络层（IP层）：在TCP/IP协议中网络层可以进行网络连接的建立和终止以及IP地址的寻找等功能。该层负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机
传输层（TCP层）：TCP层负责在应用进程之间建立端到端的连接和可靠通信，它只存在与端节点中。TCP层涉及两个协议，TCP和UDP。其中，TCP协议提供面向连接的服务，提供按字节流的有序、可靠传输，可以实现连接管理、差错控制、流量控制、拥塞控制等。UDP协议提供无连接的服务，用于不需要或无法实现面向连接的网络应用中。
应用层：应用层为Internet中的各种网络应用提供服务。

2 网络协议

2.1 TCP协议

TCP（传输控制协议）是面向连接的传输层协议。TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接（IP层协议不能提供这种能力，而是不可靠的数据交换）。TCP协议采用字节流传输数据。

2.1.1 TCP报文格式

源端口号以及目的端口号：各占2个字节，端口是传输层和应用层的服务接口，用于寻找发送端和接收端的进程，一般来讲，通过端口号和IP地址，可以唯一确定一个TCP连接，在网络编程中，通常被称为一个socket接口。
序号：Seq序号，占4个字节、32位。用来标识从TCP发送端向TCP接收端发送的数据字节流。发起方发送数据时对此进行标记。
确认序号：Ack序号，占4个字节、32位。包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。只有ACK标记位为1时，确认序号字段才有效，因此，确认序号应该是上次已经成功收到数据字节序号加1，即Ack=Seq + 1。
数据偏移：占4个字节，用于指出TCP首部长度，若不存在选项，则这个值为20字节，数据偏移的最大值为60字节。
保留字段占6位，暂时可忽略，值全为0。
标志位，6个
- URG(紧急)：为1时表明紧急指针字段有效
- ACK(确认)：为1时表明确认号字段有效
- PSH(推送)：为1时接收方应尽快将这个报文段交给应用层
- RST(复位)：为1时表明TCP连接出现故障必须重建连接
- SYN(同步)：在连接建立时用来同步序号
- FIN(终止)：为1时表明发送端数据发送完毕要求释放连接
接收窗口：占2个字节，用于流量控制和拥塞控制，表示当前接收缓冲区的大小。在计算机网络中，通常是用接收方的接收能力的大小来控制发送方的数据发送量。TCP连接的一端根据缓冲区大小确定自己的接收窗口值，告诉对方，使对方可以确定发送数据的字节数。
校验和：占2个字节，范围包括首部和数据两部分。
选项是可选的，默认情况是不选。

2.1.2 三次握手与四次挥手

三次握手示意图如上：

第一次握手（客户端发送请求）：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。发送连接请求报文段内容：SYN=1，seq=x；SYN=1意思是一个TCP的SYN标志位置为1的包，指明客户端打算连接的服务器的端口；seq=x表示客户端初始序号x，保存在包头的序列号（Sequence Number）字段里。
第二次握手（服务端回传确认）：服务器收到客户端连接请求报文，如果同意建立连接，向客户机发回确认报文段（ACK）应答，并为该TCP连接分配TCP缓存和变量。服务器发回确认报文段内容：SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1；SYN标志位和ACK标志位均为1，同时将确认序号（Acknowledgement Number）设置为客户的ISN加1，即x+1；seq=y为服务端初始序号y。
第三次握手（客户端回传确认）：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（ACK），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。客户端发回确认报文段内容：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1；ACK=1为确认报文段；seq=x+1为客户端序号加1；ack=y+1,为服务器发来的ACK的初始序号字段+1。

注意：握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。

四次挥手示意图如上，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，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。发送报文段内容：FIN=1，seq=u；FIN=1表示请求切断连接；seq=u为客户端请求初始序号。
服务端收到这个FIN，它发回一个ACK给客户端，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；服务端进入CLOSE_WAIT状态。发送报文段内容：ACK=1，seq=v，ack=u+1；ACK=1为确认报文；seq=v为服务器确认初始序号；ack=u+1为客户端初始序号加1。
服务器关闭客户端的连接后，发送一个FIN给客户端，服务端进入LAST_ACK状态。发送报文段内容：FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1；FIN=1为请求切断连接，ACK=1为确认报文，seq=w为服务端请求切断初始序号。
客户端收到FIN后，客户端进入TIME_WAIT状态，接着发回一个ACK报文给服务端确认，并将确认序号设置为收到序号加1，服务端进入CLOSED状态，完成四次挥手。发送报文内容：ACK=1，seq=u+1，ack=w+1；ACK=1为确认报文，seq=u+1为客户端初始序号加1，ack=w+1为服务器初始序号加1。

注意：为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次挥手？

因为当服务端收到客户端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当服务端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭socket，所以只能先回复一个ACK报文，告诉客户端，“你发的FIN报文，我收到了”。只有等到服务端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送，故需要四步挥手。

2.2 UDP协议

2.2.1 介绍

UDP，用户数据报协议，它是TCP/IP协议簇中无连接的运输层协议。

UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务器可同时向多个客户端传输相同的消息。
UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。
吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
UDP使用尽量最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表。
UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部受就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

2.2.2 报文格式

UDP协议由两部分组成：首部和数据。其中，首部仅有8个字节，包括源端口和目的端口、长度（UDP用于数据报的长度）、校验和。

2.2.3 TCP与UDP的区别

TCP基于连接，UDP是无连接的；
对系统资源的要求，TCP较多，UDP较少；
UDP程序结构较简单；
TCP是流模式，而UDP是数据报模式；
TCP保证数据正确性，而UDP可能丢包；TCP保证数据顺序，而UDP不保证；

3 Socket编程

3.1 Socket介绍

Java的网络编程主要涉及到的内容是Socket编程。Socket就是两台主机之间逻辑连接的端点。Socket是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议、本地主机的IP地址、本地进程的协议端口、远程主机的IP地址、远程进程的协议端口。

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP/IP协议交互提供了套接字（Socket）接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

“TCP/IP只是一个协议栈，就像操作系统的运行机制一样，必须要具体实现，同时还要提供对外的操作接口。这个就像操作系统会提供标准的编程接口，比如win32编程接口一样，TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口。”

3.2 Socket编程案例

下面是一个客户端和服务器端进行数据交互的简单例子，客户端输入正方形的边长，服务器端接收到后计算面积并返回给客户端。

服务器端

public class SocketServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 端口号
        int port = 7000;
        // 在端口上创建一个服务器套接字
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
        // 监听来自客户端的连接
        Socket socket = serverSocket.accept();
        DataInputStream dis = new DataInputStream(new BufferedInputStream(socket.getInputStream()));
        DataOutputStream dos = new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream()));
        do {
            double length = dis.readDouble();
            System.out.println("服务器端收到的边长数据为：" + length);
            double result = length * length;
            dos.writeDouble(result);
            dos.flush();
        } while (dis.readInt() != 0);
        socket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

客户端

public class SocketClient {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {
        int port = 7000;
        String host = "localhost";
        Socket socket = new Socket(host, port);
        DataInputStream dis = new DataInputStream(new BufferedInputStream(socket.getInputStream()));
        DataOutputStream dos = new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream()));
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        boolean flag = false;
        while (!flag) {
            System.out.println("请输入正方形的边长:");
            double length = sc.nextDouble();
            dos.writeDouble(length);
            dos.flush();
            double area = dis.readDouble();
            System.out.println("服务器返回的计算面积为:" + area);
            while (true) {
                System.out.println("继续计算？(Y/N)");
                String str = sc.next();
                if (str.equalsIgnoreCase("N")) {
                    dos.writeInt(0);
                    dos.flush();
                    flag = true;
                    break;
                } else if (str.equalsIgnoreCase("Y")) {
                    dos.writeInt(1);
                    dos.flush();
                    break;
                }
            }
        }
        socket.close();
    }
}

posted @ 2024-04-07 21:05 shilei_nice 阅读(5) 评论(0) 收藏举报

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