javaSE笔记--分块 - 7. 网络编程 - 《Java全栈方向》

7. 网络编程

7. 网络编程

7.1 网络模型

OSI模型

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，国际标准化组织（ISO）在1978年提出了”开放系统互联参考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。其中第四层完成数据传送服务，上面三层面向用户。

除了标准的OSI七层模型以外，常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议，它们之间的对应关系如下图所示：

7. 网络编程 - 图1

物理层（Physical Layer）

在OSI参考模型中，物理层（Physical Layer）是参考模型的最低层，也是OSI模型的第一层。
物理层的主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。
物理层的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。

数据链路层（Data Link Layer）

数据链路层（Data Link Layer）是OSI模型的第二层，负责建立和管理节点间的链路。该层的主要功能是：通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。
在计算机网络中由于各种干扰的存在，物理链路是不可靠的。因此，这一层的主要功能是在物理层提供的比特流的基础上，通过差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路，即提供可靠的通过物理介质传输数据的方法。

网络层（Network Layer）

网络层（Network Layer）是OSI模型的第三层，它是OSI参考模型中最复杂的一层，也是通信子网的最高一层。它在下两层的基础上向资源子网提供服务。其主要任务是：通过路由选择算法，为报文或分组通过通信子网选择最适当的路径。该层控制数据链路层与传输层之间的信息转发，建立、维持和终止网络的连接。具体地说，数据链路层的数据在这一层被转换为数据包，然后通过路径选择、分段组合、顺序、进/出路由等控制，将信息从一个网络设备传送到另一个网络设备。

传输层

OSI下3层的主要任务是数据通信，上3层的任务是数据处理。而传输层（Transport Layer）是OSI模型的第4层。因此该层是通信子网和资源子网的接口和桥梁，起到承上启下的作用。
该层的主要任务是：向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输。传输层的作用是向高层屏蔽下层数据通信的细节，即向用户透明地传送报文。该层常见的协议：TCP/IP中的TCP协议、Novell网络中的SPX协议和微软的NetBIOS/NetBEUI协议。
传输层提供会话层和网络层之间的传输服务，这种服务从会话层获得数据，并在必要时，对数据进行分割。然后，传输层将数据传递到网络层，并确保数据能正确无误地传送到网络层。因此，传输层负责提供两节点之间数据的可靠传送，当两节点的联系确定之后，传输层则负责监督工作。综上，传输层的主要功能如下：
传输连接管理：提供建立、维护和拆除传输连接的功能。传输层在网络层的基础上为高层提供“面向连接”和“面向无接连”的两种服务。
处理传输差错：提供可靠的“面向连接”和不太可靠的“面向无连接”的数据传输服务、差错控制和流量控制。在提供“面向连接”服务时，通过这一层传输的数据将由目标设备确认，如果在指定的时间内未收到确认信息，数据将被重发。

会话层

会话层（Session Layer）是OSI模型的第5层，是用户应用程序和网络之间的接口，主要任务是：向两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法。将不同实体之间的表示层的连接称为会话。因此会话层的任务就是组织和协调两个会话进程之间的通信，并对数据交换进行管理。

表示层

表示层（Presentation Layer）是OSI模型的第六层，它对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传送给会话层。其主要功能是“处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换和加密解密”等。

应用层

应用层（Application Layer）是OSI参考模型的最高层，它是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口，其功能是直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。它在其他6层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外，该层还负责协调各个应用程序间的工作。

OSI是一个理想的模型，一般的网络系统只涉及其中的几层，在七层模型中，每一层都提供一个特殊的网络功能，从网络功能角度观察：

下面4层（物理层、数据链路层、网络层和传输层）主要提供数据传输和交换功能，即以节点到节点之间的通信为主
第4层作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分；
上3层（会话层、表示层和应用层）则以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。

简言之，下4层主要完成通信子网的功能，上3层主要完成资源子网的功能。

TCP/IP模型

   ┌────------────┐┌─┬─┬─-┬─┬─-┬─┬─-┬─┬─-┬─┬─-┐<br />

　　│　　　　　　　　││Ｄ│Ｆ│Ｗ│Ｆ│Ｈ│Ｇ│Ｔ│Ｉ│Ｓ│Ｕ│　│
　　│　　　　　　　　││Ｎ│Ｉ│Ｈ│Ｔ│Ｔ│Ｏ│Ｅ│Ｒ│Ｍ│Ｓ│其│
　　│第四层，应用层　││Ｓ│Ｎ│Ｏ│Ｐ│Ｔ│Ｐ│Ｌ│Ｃ│Ｔ│Ｅ│　│
　　│　　　　　　　　││　│Ｇ│Ｉ│　│Ｐ│Ｈ│Ｎ│　│Ｐ│Ｎ│　│
　　│　　　　　　　　││　│Ｅ│Ｓ│　│　│Ｅ│Ｅ│　│　│Ｅ│它│
　　│　　　　　　　　││　│Ｒ│　│　│　│Ｒ│Ｔ│　│　│Ｔ│　│
　　└───────———─┘└─┴─┴─-┴─┴─-┴─┴─-┴─┴─-┴─┴-─┘
　　┌───────——-─┐┌─────────———-┬──————─────────┐
　　│第三层，传输层　││　　　ＴＣＰ　　　│　　　　ＵＤＰ　　　　│
　　└───────——-─┘└────────———-─┴──────────————─┘
　　┌───────——-─┐┌───——──┬───—-─┬────────———-──┐
　　│　　　　　　　　││　　　　　│ＩＣＭＰ│　　　　　　　　　　│
　　│第二层，网间层　││　　　　　└──—-──┘　　　　　　　　　　│
　　│　　　　　　　　││　　　　　　　ＩＰ　　　　　　　　　　　 │
　　└────────——-┘└────────────────────——————-─-┘
　　┌────────——-┐┌─────────———-┬──────————─────┐
　　│第一层，网络接口││ＡＲＰ／ＲＡＲＰ　│　　　　其它　　　　　│
　　└────────———┘└─────────———┴─────————──────┘
　　　　　　 TCP/IP四层参考模型

TCP/IP协议被组织成四个概念层，其中有三层对应于ISO参考模型中的相应层。ICP/IP协议族并不包含物理层和数据链路层，因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能，必须与许多其他的协议协同工作。
　　TCP/IP分层模型的四个协议层分别完成以下的功能：
　　第一层:网络接口层
　　包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。实际上TCP/IP标准并不定义与ISO数据链路层和物理层相对应的功能。相反，它定义像地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)这样的协议，提供TCP/IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口。
　　第二层:网间层
　　对应于OSI七层参考模型的网络层。本层包含IP协议、RIP协议(Routing Information Protocol，路由信息协议)，负责数据的包装、寻址和路由。同时还包含网间控制报文协议(Internet Control Message Protocol,ICMP)用来提供网络诊断信息。
　　第三层:传输层
　　对应于OSI七层参考模型的传输层，它提供两种端到端的通信服务。其中TCP协议(Transmission Control Protocol)提供可靠的数据流运输服务，UDP协议(Use Datagram Protocol)提供不可靠的用户数据报服务。
　　第四层:应用层
　　对应于OSI七层参考模型的应用层和表达层。因特网的应用层协议包括Finger、Whois、FTP(文件传输协议)、Gopher、HTTP(超文本传输协议)、Telent(远程终端协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、IRC(因特网中继会话)、NNTP（网络新闻传输协议）等。

7.2 相关概念

IP地址

要想使网络中的计算机能够进行通信，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接受数据的计算机或者发送数据的计算机。

在TCP/IP协议中，这个标识号就是IP地址，它可以唯一标识一台计算机，目前，IP地址广泛使用的版本是IPv4，它是由4个字节大小的二进制数来表示，如：00001010000000000000000000000001。由于二进制形式表示的IP地址非常不便记忆和处理，因此通常会将IP地址写成十进制的形式，每个字节用一个十进制数字(0-255)表示，数字间用符号“.”分开，如 “192.168.1.100”。

随着计算机网络规模的不断扩大，对IP地址的需求也越来越多，IPV4这种用4个字节表示的IP地址面临枯竭，因此IPv6 便应运而生了，IPv6使用16个字节表示IP地址，它所拥有的地址容量约是IPv4的8×1028倍，达到2128个（算上全零的），这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。

端口号

通过IP地址可以连接到指定计算机，但如果想访问目标计算机中的某个应用程序，还需要指定端口号。在计算机中，不同的应用程序是通过端口号区分的。端口号是用两个字节（16位的二进制数）表示的，它的取值范围是01023之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用，用户的普通应用程序需要使用1024以上的端口号，从而避免端口号被另外一个应用或服务所占用。

端口：数据的发送与接收都需要通过端口。可以理解为一个计算机的门。同一个计算机中两个应用程序不允许占用同一个端口。

端口号：0 ~ 65535

0~1023: 公共端口

1025 ~ 49151: 注册端口

1024 ~ 65535：动态或私有端口

常见的端口：

8080：tomcat

3306：mysql

1521：oracle

InetAddress类

是一个用来描述IP的一个类，有两个常用的子类：Inet4Address、Inet6Address

IPv4: 是用四个字节来描述IP地址，IP地址中的每一位都是一个字节，范围[0, 255]

192.168.1.1

IPv6: 是用六个字节来描述IP地址

A类：1.0.0.1 ~ 126.255.255.254 保留给政府机构

B类：128.0.0.1 ~ 191.255.255.254 分配给大中型企业

C类：192.0.0.1 ~ 223.255.255.254 分配给任何有需要的个人

D类：224.0.0.1 ~ 239.255.255.254 用于组播

E类：240.0.0.1 ~ 255.255.255.254 用于实验

public static void main(String[] args) {
    try {
        // 获取主机
        InetAddress local = InetAddress.getLocalHost();
        System.out.println(local);
        // 获取主机名字字符串
        String name = local.getHostName();
        System.out.println(name);
        // 获取主机地址字符串
        String address = local.getHostAddress();
        System.out.println(address);
        // 通过主机名获取
        InetAddress localhost = InetAddress.getByName("localhost");
        System.out.println(localhost);
        // 通过一个域名获取
        InetAddress kaikeba = InetAddreshosttByName("www.kaikeba.com");
        System.out.println(kaikeba);
        InetAddress[] addresses = InetAddress.getAllByName("www.kaikeba.com");
        for (InetAddress addr : addresses) {
            System.out.println(addr);
        }
    } catch (UnknownHostException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

7.3 TCP

TCP协议是面向连接的通信协议，即在传输数据前先在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。在TCP连接中必须要明确客户端与服务器端，由客户端向服务端发出连接请求，每次连接的创建都需要经过“三次握手”。

三次握手：建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立，在Socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，具体流程图如下：

7. 网络编程 - 图2

第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server， Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位 SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK 置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

四次挥手：终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在Socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，具体流程图如下：

7. 网络编程 - 图3

第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入 FIN_WAIT_1状态
第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK 状态。
第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。另外也可能是同时发起主动关闭的情况：

7. 网络编程 - 图4

另外还可能有一个常见的问题就是：为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？答：因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

由于TCP协议的面向连接特性，它可以保证传输数据的安全性，所以是一个被广泛采用的协议，例如在下载文件时，如果数据接收不完整，将会导致文件数据丢失而不能被打开，因此，下载文件时必须采用TCP协议。

TCP特点：

面向连接。
安全的。（不会存在数据丢失）
传输的数据大小是有限制的。

三次握手：

客户端向服务端发送一个请求。
服务端收到请求后，返回给客户端一个响应。
客户端接收到服务端的响应后，再回服务端一个确认信息。

重点涉及到的类：

Socket类：客户端

ServerSocket类：服务端

Socket用来描述IP地址和端口，是通信链的句柄，应用程序通过Socket向网络发送请求或者应答网络请求，socket是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元

Socket

7. 网络编程 - 图5

/* TCP 服务器端
 * 
 * 1,创建服务器ServerSocket对象（指定服务器端口号）
 * 2，开启服务器了，等待客户端的连接，当客户端连接后，可以获取到连接服务器的客户端Socket对象
 * 3,给客户端反馈信息
 * 4,关闭流资源
 */
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1,创建服务器ServerSocket对象（指定服务器端口号）
        ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);
        //2，开启服务器了，等待客户端的连接，当客户端连接后，可以获取到连接服务器的客户端Socket对象
        Socket s = ss.accept();
        //3,给客户端反馈信息
        /*
         * a,获取客户端的输出流
         * b,在服务端端，通过客户端的输出流写数据给客户端
         */
        //a,获取客户端的输出流
        OutputStream out = s.getOutputStream();
        //b,在服务端端，通过客户端的输出流写数据给客户端
        out.write("你已经连接上了服务器".getBytes());
        //4,关闭流资源
        out.close();
        s.close();
        //ss.close();  服务器流 通常都是不关闭的
    }
}
//完成了服务器端程序的编写，接下来编写客户端程序。
/*
 * TCP 客户端
 * 
 * 1，创建客户端Socket对象,（指定要连接的服务器地址与端口号）
 * 2,获取服务器端的反馈回来的信息
 * 3,关闭流资源
 */
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1，创建客户端Socket对象,（指定要连接的服务器地址与端口号）
        Socket s = new Socket("127.0.0.1", 8888);
        //2,获取服务器端的反馈回来的信息
        InputStream in = s.getInputStream();
        //获取获取流中的数据
        byte[] buffer = new byte[1024];
        //把流中的数据存储到数组中，并记录读取字节的个数
        int length = in.read(buffer);
        //显示数据
        System.out.println( new String(buffer, 0 , length) );
        //3,关闭流资源
        in.close();
        s.close();
    }
}

7.4 UDP

UDP是无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，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协议消耗资源小，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都使用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。UDP的交换过程如下图所示。

//UDP完成数据的发送
/*
* 发送端
 * 1,创建DatagramSocket对象
 * 2，创建DatagramPacket对象，并封装数据
 * 3，发送数据
 * 4，释放流资源
 */
public class UDPSend {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1,创建DatagramSocket对象
        DatagramSocket sendSocket = new DatagramSocket();
        //2，创建DatagramPacket对象，并封装数据
        //public DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address,  int port)
        //构造数据报包，用来将长度为 length 的包发送到指定主机上的指定端口号。
        byte[] buffer = "hello,UDP".getBytes();
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buffer, buffer.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 6666);
        //3，发送数据
        //public void send(DatagramPacket p) 从此套接字发送数据报包
        sendSocket.send(dp);
        //4，释放流资源
        sendSocket.close();
    }
}
//UDP完成数据的接收
/*
 * UDP接收端
 * 
 * 1,创建DatagramSocket对象
 * 2,创建DatagramPacket对象
 * 3,接收数据存储到DatagramPacket对象中
 * 4,获取DatagramPacket对象的内容
 * 5,释放流资源
 */
public class UDPReceive {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1,创建DatagramSocket对象,并指定端口号
        DatagramSocket receiveSocket = new DatagramSocket(6666);
        //2,创建DatagramPacket对象, 创建一个空的仓库
        byte[] buffer = new byte[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(buffer, 1024);
        //3,接收数据存储到DatagramPacket对象中
        receiveSocket.receive(dp);
        //4,获取DatagramPacket对象的内容
        //谁发来的数据  getAddress()
        InetAddress ipAddress = dp.getAddress();
        String ip = ipAddress.getHostAddress();//获取到了IP地址
        //发来了什么数据  getData()
        byte[] data = dp.getData();
        //发来了多少数据 getLenth()
        int length = dp.getLength();
        //显示收到的数据
        String dataStr = new String(data,0,length);
        System.out.println("IP地址："+ip+ "数据是"+ dataStr);
        //5,释放流资源
        receiveSocket.close();
    }
}

7.5 综合案例

/*
 * 文件上传  服务器端
 *
 */
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1,创建服务器，等待客户端连接
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
        Socket clientSocket = serverSocket.accept();
        //显示哪个客户端Socket连接上了服务器
        InetAddress ipObject = clientSocket.getInetAddress();//得到IP地址对象
        String ip = ipObject.getHostAddress(); //得到IP地址字符串
        System.out.println("谁在传文件给我" + "IP:" + ip);
        //2,获取Socket的输入流
        InputStream in = clientSocket.getInputStream();
        //3,创建目的地的字节输出流  
        BufferedOutputStream fileOut = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("myfileRecieved.txt"));
        //4,把Socket输入流中的数据，写入目的地的字节输出流中
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len = -1;
        while((len = in.read(buffer)) != -1){
            //写入目的地的字节输出流中
            fileOut.write(buffer, 0, len);
        }
        //-----------------反馈信息---------------------
        //5,获取Socket的输出流, 作用：写反馈信息给客户端
        OutputStream out = clientSocket.getOutputStream();
        //6,写反馈信息给客户端
        out.write("文件上传成功".getBytes());
        out.close();
        fileOut.close();
        in.close();
        clientSocket.close();
        //serverSocket.close();
    }
}
//编写客户端，完成上传文件
/*
 * 文件上传 客户端
 * 
 * public void shutdownOutput()  禁用此Socket的输出流,间接的相当于告知了服务器数据写入完毕
 */
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1,创建客户端Socket，连接服务器
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
        //2,获取Socket流中的输出流，功能：用来把数据写到服务器
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        //3,创建字节输入流，功能：用来读取数据源(图片)的字节
        BufferedInputStream fileIn = new BufferedInputStream(new FileInputStream("myfile.txt"));
        //4,把图片数据写到Socket的输出流中(把数据传给服务器)
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len = -1;
        while ((len = fileIn.read(buffer)) != -1){
            //把数据写到Socket的输出流中
            out.write(buffer, 0, len);
        }
        //5,客户端发送数据完毕，结束Socket输出流的写入操作，告知服务器端
        socket.shutdownOutput();
        //-----------------反馈信息---------------------
        //6,获取Socket的输入流  作用： 读反馈信息
        InputStream in = socket.getInputStream();
        //7,读反馈信息
        byte[] info = new byte[1024];
        //把反馈信息存储到info数组中，并记录字节个数
        int length = in.read(info);
        //显示反馈结果
        System.out.println( new String(info, 0, length) );
        //关闭流
        in.close();
        fileIn.close();
        out.close();
        socket.close();
    }
}