Day(21)--网络编程

网络编程

在网络通信协议下，不同计算机上运行的程序，进行的数据传输

• 应用场景：即使通信、网友对战、金融证券等等，不管是什么场景，都是计算机和计算机之间通过网络进行的数据传输

• java.net

常见的软件架构

C/S（Client/Server，客户端 / 服务器）架构和 B/S（Browser/Server，浏览器 / 服务器）架构是软件开发中两种常见的软件架构模式，下面为你详细介绍：

C/S 架构

概念

C/S 架构将应用程序分为客户端和服务器两部分。客户端是用户直接交互的界面，负责处理用户的输入和显示结果；服务器则负责处理客户端的请求，提供数据存储和业务逻辑处理等服务。客户端和服务器之间通过网络进行通信。

优点

• 性能较高：客户端可以在本地处理部分业务逻辑，减少了与服务器的通信次数，因此在处理大量数据和复杂业务时性能较好。

• 用户体验好：可以根据用户的需求定制客户端界面和功能，提供更加个性化的用户体验。

• 安全性高：客户端和服务器之间的通信可以采用加密技术，数据存储在服务器端，相对比较安全。

缺点

• 维护成本高：客户端需要安装和维护，当软件更新时，需要对每个客户端进行更新，工作量较大。

• 可扩展性差：当用户数量增加或业务需求变化时，需要对客户端和服务器进行相应的升级和扩展，难度较大。

• 跨平台性差：不同操作系统的客户端需要开发不同的版本，增加了开发成本。

适用场景

• 对性能要求较高的应用，如大型游戏、图形处理软件等。

• 对数据安全性要求较高的应用，如银行的网上银行系统、企业的内部办公系统等。

B/S 架构

概念

B/S 架构是一种基于 Web 技术的架构模式，用户通过浏览器访问服务器上的应用程序。服务器负责处理所有的业务逻辑和数据存储，浏览器只负责显示页面和与用户进行交互。

优点

• 易于维护：只需要对服务器进行维护和更新，用户不需要安装任何客户端软件，通过浏览器即可访问应用程序。

• 可扩展性好：服务器可以根据用户数量和业务需求进行灵活的扩展，如增加服务器数量、升级服务器配置等。

• 跨平台性好：只要有浏览器的设备都可以访问应用程序，不受操作系统的限制。

缺点

• 性能相对较低：所有的业务逻辑都在服务器端处理，浏览器只负责显示页面，因此在处理大量数据和复杂业务时性能相对较低。

• 用户体验受浏览器限制：不同浏览器对页面的渲染效果可能会有所不同，用户体验可能会受到一定的影响。

• 安全性相对较低：由于浏览器是开放的，容易受到网络攻击，如 SQL 注入、XSS 攻击等。

适用场景

• 对维护成本要求较低、用户数量较多的应用，如电子商务网站、社交网络平台等。

• 对跨平台性要求较高的应用，如在线办公系统、在线教育平台等。

以下是一个简单的 Java 示例，分别展示 C/S 架构和 B/S 架构的基本实现。

C/S 架构示例

客户端代码：

java

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
​
public class CSClient {public static void main(String[] args) {try (Socket socket = new Socket("localhost", 8888);PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {out.println("Hello, Server!");String response = in.readLine();System.out.println("Server response: " + response);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

服务器端代码：

java

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
​
public class CSServer {public static void main(String[] args) {try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888)) {System.out.println("Server is listening on port 8888");try (Socket socket = serverSocket.accept();PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {String inputLine = in.readLine();System.out.println("Client message: " + inputLine);out.println("Hello, Client!");}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

B/S 架构示例（使用 Spring Boot）

创建一个简单的 Spring Boot 项目，包含一个控制器类：

java

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
​
@SpringBootApplication
@RestController
public class BSApplication {
​public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(BSApplication.class, args);}
​@GetMapping("/hello")public String hello() {return "Hello, World!";}
}

运行该 Spring Boot 应用程序后，在浏览器中访问 http://localhost:8080/hello 即可看到返回的信息。

网络编程三要素

网络编程三要素分别是 IP 地址、端口号和传输协议，以下为你详细介绍：

1. IP 地址

概念

IP 地址是互联网协议地址（Internet Protocol Address）的缩写，它是分配给网络上使用网际协议的设备的数字标签，其作用是唯一标识网络中的设备，就像现实生活中的家庭住址一样，通过 IP 地址可以在网络中找到对应的设备。

分类

• IPv4：由 32 位二进制数组成，通常用点分十进制表示，例如192.168.1.1。IPv4 地址数量有限，目前已经基本分配完毕。

• IPv6：为了解决 IPv4 地址不足的问题而推出的新一代 IP 协议，由 128 位二进制数组成，通常用冒号分隔的十六进制数表示，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

相关代码示例（Java 获取本地 IP 地址）

java

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
​
public class GetLocalIP {public static void main(String[] args) {try {InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();System.out.println("本地IP地址: " + localHost.getHostAddress());} catch (UnknownHostException e) {e.printStackTrace();}}
}

2. 端口号

概念

端口号是一个 16 位的整数，范围从 0 到 65535。它的作用是标识设备上的应用程序或服务，一台设备上可能同时运行多个网络应用程序，通过端口号可以区分不同的应用程序，从而将数据准确地发送到对应的应用程序。

分类

• 系统端口（0 - 1023）：这些端口被系统保留，用于一些知名的服务，例如 HTTP 服务使用的端口号是 80，HTTPS 服务使用的端口号是 443。

• 注册端口（1024 - 49151）：这些端口通常由用户程序或服务注册使用，例如 MySQL 数据库默认使用的端口号是 3306。

• 动态端口（49152 - 65535）：这些端口用于临时分配给客户端程序，当客户端程序与服务器建立连接时，系统会从动态端口中分配一个端口号给客户端使用。

相关代码示例（Java 使用指定端口创建服务器）

java

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
​
public class ServerWithPort {public static void main(String[] args) {try {int port = 8888;ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);System.out.println("服务器已启动，监听端口: " + port);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

3. 传输协议

概念

传输协议是指在网络中传输数据时所遵循的规则和约定，它定义了数据的传输格式、传输方式、错误处理等内容。不同的传输协议适用于不同的应用场景。

常见传输协议

• TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）：是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输协议。在进行数据传输之前，需要先建立连接，传输完成后再断开连接。TCP 协议通过确认机制、重传机制等保证数据的可靠传输，适用于对数据准确性要求较高的场景，例如文件传输、电子邮件等。

• UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）：是一种无连接的、不可靠的传输协议。它不需要建立连接，直接将数据发送出去，不保证数据的可靠传输，可能会出现数据丢失、乱序等情况。UDP 协议的传输效率较高，适用于对实时性要求较高的场景，例如视频会议、在线游戏等。

相关代码示例（Java 使用 TCP 协议实现简单的客户端和服务器通信）

服务器端代码：

java

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
​
public class TCPServer {public static void main(String[] args) {try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888)) {System.out.println("服务器已启动，等待客户端连接...");try (Socket socket = serverSocket.accept();PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {String inputLine = in.readLine();System.out.println("客户端消息: " + inputLine);out.println("Hello, Client!");}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

客户端代码：

java

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
​
public class TCPClient {public static void main(String[] args) {try (Socket socket = new Socket("localhost", 8888);PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {out.println("Hello, Server!");String response = in.readLine();System.out.println("服务器响应: " + response);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

4 IP

• ip的作用，设备在网络中的地址，是唯一的标识

• IPv4：目前的主流方案，最多只有2^23次方个ip，目前已经用完了

• IPv6：为了解决IPv4不够用而出现的，最多可以有2^128次方个ip

• 利用局域网IP解决IP 不够用的问题

Inetaddress类

在 Java 中，InetAddress 类属于 java.net 包，它的主要功能是表示互联网协议（IP）地址。下面详细介绍该类的一些关键知识点：

1. 类的特点

InetAddress 类是一个抽象类，这意味着不能直接使用 new 关键字来创建它的实例。不过，它提供了多个静态方法来获取 InetAddress 实例。

2. 获取 InetAddress 实例

• 通过主机名获取：可以使用 getByName(String host) 方法，该方法会返回一个表示指定主机名的 InetAddress 对象。

java

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
​
public class InetAddressExample {public static void main(String[] args) {try {InetAddress address = InetAddress.getByName("www.example.com");System.out.println(address);} catch (UnknownHostException e) {System.out.println("无法解析主机名: " + e.getMessage());}}
}

• 获取本地主机地址：使用 getLocalHost() 方法，它会返回一个表示本地主机的 InetAddress 对象。

java

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;public class LocalHostExample {public static void main(String[] args) {try {InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();System.out.println("本地主机地址: " + localHost);} catch (UnknownHostException e) {System.out.println("无法获取本地主机地址: " + e.getMessage());}}
}

• 通过 IP 地址获取：使用 getByAddress(byte[] addr) 方法，该方法会返回一个表示指定 IP 地址的 InetAddress 对象。

java

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
​
public class ByAddressExample {public static void main(String[] args) {try {byte[] ip = {127, 0, 0, 1};InetAddress address = InetAddress.getByAddress(ip);System.out.println(address);} catch (UnknownHostException e) {System.out.println("无法解析 IP 地址: " + e.getMessage());}}
}

3. 常用方法

• getHostName()：返回此 IP 地址的主机名。

java

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;public class GetHostNameExample {public static void main(String[] args) {try {InetAddress address = InetAddress.getByName("www.example.com");String hostName = address.getHostName();System.out.println("主机名: " + hostName);} catch (UnknownHostException e) {System.out.println("无法解析主机名: " + e.getMessage());}}
}

• getHostAddress()：返回此 IP 地址的字符串表示形式。

java

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;public class GetHostAddressExample {public static void main(String[] args) {try {InetAddress address = InetAddress.getByName("www.example.com");String hostAddress = address.getHostAddress();System.out.println("IP 地址: " + hostAddress);} catch (UnknownHostException e) {System.out.println("无法解析主机名: " + e.getMessage());}}
}

• isReachable(int timeout)：测试是否可以达到该地址。该方法会尝试与该地址建立连接，如果在指定的超时时间内成功建立连接，则返回 true，否则返回 false。

java

import java.net.InetAddress;
import java.io.IOException;
​
public class IsReachableExample {public static void main(String[] args) {try {InetAddress address = InetAddress.getByName("www.example.com");boolean isReachable = address.isReachable(5000);System.out.println("是否可以到达: " + isReachable);} catch (IOException e) {System.out.println("发生 I/O 错误: " + e.getMessage());}}
}

4. 子类

Inet4Address 和 Inet6Address 是 InetAddress 的具体子类，分别代表 IPv4 和 IPv6 地址。你可以使用 instanceof 运算符来判断一个 InetAddress 对象是 IPv4 还是 IPv6 地址。

java

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;public class SubclassExample {public static void main(String[] args) {try {InetAddress address = InetAddress.getByName("www.example.com");if (address instanceof java.net.Inet4Address) {System.out.println("这是一个 IPv4 地址");} else if (address instanceof java.net.Inet6Address) {System.out.println("这是一个 IPv6 地址");}} catch (UnknownHostException e) {System.out.println("无法解析主机名: " + e.getMessage());}}
}

综上所述，InetAddress 类为 Java 程序与网络地址的交互提供了方便的方式，通过它可以轻松地进行主机名解析、IP 地址获取以及网络可达性测试等操作。

端口号

• 是应用程序在设备中唯一的标识

• 端口号：

  1. 由两个字节表示的整数，取值范围是0~65535

  2. 其0~1023之间的端口用于一些知名的网络网络服务或者应用

  3. 我们自己使用1024以上的端口号就可以了

• 注意：一个端口号只能被一个应用程序使用

网络编程中的协议知识点整理

一、网络协议概述

网络协议是计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。它规定了数据传输的格式、传输顺序、错误处理等方面的内容，确保不同设备之间能够准确、可靠地进行通信。

二、常见网络协议层次模型

1. OSI 七层模型

• 物理层：负责传输比特流，规定了传输介质、接口类型、信号编码等物理特性。例如，以太网的网线接口、光纤的传输标准等。

• 数据链路层：将物理层接收到的比特流封装成帧，进行差错检测和流量控制。常见协议有以太网协议（Ethernet），用于局域网中设备之间的通信。

• 网络层：负责将帧从源节点传输到目标节点，进行路由选择和寻址。主要协议有 IP（Internet Protocol）协议，包括 IPv4 和 IPv6。

• 传输层：提供端到端的可靠通信，确保数据的正确传输。常见协议有 TCP（Transmission Control Protocol）和 UDP（User Datagram Protocol）。

• 会话层：负责建立、管理和终止会话，协调不同应用程序之间的通信。例如，RPC（Remote Procedure Call）协议。

• 表示层：处理数据的表示和转换，如加密、解密、压缩、解压缩等。例如，SSL/TLS 协议用于数据加密传输。

• 应用层：为用户提供应用程序接口，直接面向用户的应用程序。常见协议有 HTTP（Hypertext Transfer Protocol）、FTP（File Transfer Protocol）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）等。

2. TCP/IP 四层模型

• 网络接口层：对应 OSI 模型的物理层和数据链路层，负责将数据帧在物理网络上传输。

• 网际层：与 OSI 模型的网络层功能相似，主要协议是 IP 协议。

• 传输层：和 OSI 模型的传输层相同，提供 TCP 和 UDP 协议。

• 应用层：包含了 OSI 模型的会话层、表示层和应用层的功能，常见协议有 HTTP、FTP、SMTP 等。

三、常见网络协议详解

1. IP 协议

• 功能：为网络中的设备分配唯一的 IP 地址，实现数据包的路由和转发。

• 版本

  ：

  • IPv4：采用 32 位地址，地址数量有限，格式为点分十进制，如 192.168.1.1。

  • IPv6：采用 128 位地址，解决了 IPv4 地址不足的问题，格式为冒分十六进制，如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

2. TCP 协议

• 特点：面向连接、可靠传输、基于字节流。在传输数据之前，需要先建立连接（三次握手），传输完成后需要断开连接（四次挥手）。

• 三次握手

  ：

  1. 客户端向服务器发送 SYN 包，请求建立连接。

  2. 服务器收到 SYN 包后，向客户端发送 SYN + ACK 包，表示同意建立连接。

  3. 客户端收到 SYN + ACK 包后，向服务器发送 ACK 包，连接建立成功。

• 四次挥手（：确保连接断开，且数据处理完毕）

  ：

  1. 客户端向服务器发送 FIN 包，表示请求关闭连接。

  2. 服务器收到 FIN 包后，向客户端发送 ACK 包，表示同意关闭连接。

  3. 服务器向客户端发送 FIN 包，表示请求关闭连接。

  4. 客户端收到 FIN 包后，向服务器发送 ACK 包，表示同意关闭连接。

3. UDP 协议

• 特点：无连接、不可靠传输、基于数据报。不需要建立连接，直接发送数据，传输效率高，但不能保证数据的可靠到达。适用于对实时性要求较高、对数据准确性要求较低的场景，如视频直播、在线游戏等。

• 三种通信方式

  • 单播

    • 下面聊天室的代码就是单播

  • 组播

    • 组播地址：224.0.0.0~239.255.255.255

      • 其中224.0.0.0~224.0.0255 位预留的组播地址

  • 广播

    • 广播地址255.255.255.255

• 以下是用 Java 语言实现该聊天室功能的代码示例及解析：

  发送端代码（Sender.java）

  java

  import java.io.BufferedReader;
  import java.io.IOException;
  import java.io.InputStreamReader;
  import java.net.*;
  ​
  public class Sender {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建DatagramSocket对象用于发送数据报DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
  ​// 创建BufferedReader用于从键盘读取输入BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));String line;while (true) {line = br.readLine();// 判断是否输入886，如果是则结束发送if ("886".equals(line)) {break;}// 将输入的字符串转换为字节数组byte[] bys = line.getBytes();// 创建DatagramPacket对象，指定发送的数据、长度、目标地址和端口DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bys, bys.length, InetAddress.getByName("localhost"), 12345);// 发送数据报ds.send(dp);}// 关闭资源ds.close();}
  }

  接收端代码（Receiver.java）

  java

  import java.io.IOException;
  import java.net.*;
  ​
  public class Receiver {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建DatagramSocket对象，指定接收数据的端口DatagramSocket ds = new DatagramSocket(12345);while (true) {// 创建字节数组用于存储接收的数据byte[] bys = new byte[1024];// 创建DatagramPacket对象用于接收数据报DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bys, bys.length);// 接收数据报ds.receive(dp);// 获取接收到的数据的实际长度int length = dp.getLength();// 将字节数组转换为字符串并输出String data = new String(bys, 0, length);System.out.println("收到消息: " + data);}}
  }

  代码解析

  1. 发送端（Sender.java）

     • 首先创建 DatagramSocket 对象，这是 UDP 通信中用于发送和接收数据报的套接字。

     • 通过 BufferedReader 从键盘读取用户输入。

     • 使用 while 循环持续读取输入，当输入为 886 时跳出循环。

     • 对于每次读取到的非 886 输入，将其转换为字节数组，创建 DatagramPacket 对象，指定目标地址（这里用 localhost 表示本地主机）和端口（12345），然后通过 send 方法发送数据报。

     • 最后关闭 DatagramSocket 资源。

  2. 接收端（Receiver.java）

     • 创建 DatagramSocket 对象并指定端口（12345），用于接收发送端发来的数据报。

     • 使用一个无限循环（死循环）持续接收数据报。在循环内，先创建字节数组和 DatagramPacket 对象。

     • 通过 receive 方法接收数据报，然后获取数据的实际长度，将字节数组转换为字符串并输出接收到的消息。

  注意事项：

  • 这里发送端和接收端的端口要对应一致（都是 12345 ），实际应用中可根据需求修改。

  • 代码中发送的目标地址为 localhost，意味着发送和接收都在本地进行，若要在网络中不同主机间通信，需改为对应主机的 IP 地址。

4. HTTP 协议

• 功能：用于在 Web 浏览器和 Web 服务器之间传输超文本（如 HTML 页面）。

• 版本

  ：

  • HTTP/1.0：无状态协议，每次请求都需要建立新的连接，效率较低。

  • HTTP/1.1：支持持久连接、请求头压缩、分块传输等功能，提高了传输效率。

  • HTTP/2：采用二进制分帧、多路复用、头部压缩等技术，进一步提高了性能。

• 请求方法：常见的有 GET（获取资源）、POST（提交数据）、PUT（更新资源）、DELETE（删除资源）等。

5. FTP 协议

• 功能：用于在客户端和服务器之间进行文件传输。

• 工作模式

  ：

  • 主动模式：服务器主动连接客户端的数据端口。

  • 被动模式：服务器等待客户端连接其数据端口。

6. SMTP、POP3 和 IMAP 协议

• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：用于发送电子邮件。

• POP3（Post Office Protocol 3）：用于接收电子邮件，将邮件从服务器下载到本地客户端后，服务器上的邮件通常会被删除。

• IMAP（Internet Message Access Protocol）：也是用于接收电子邮件，但可以在服务器上保留邮件副本，方便在不同设备上同步邮件。

四、协议的选择和应用场景

• TCP 协议：适用于对数据准确性要求较高、对实时性要求较低的场景，如文件传输、网页浏览等。

• UDP 协议：适用于对实时性要求较高、对数据准确性要求较低的场景，如视频直播、在线游戏等。

• HTTP 协议：主要用于 Web 应用开发，实现客户端和服务器之间的通信。

• FTP 协议：用于文件的上传和下载。

• SMTP、POP3 和 IMAP 协议：用于电子邮件的发送和接收。