Java网络编程详解(非常全面)

Java网络编程对于Java工程师来说是很重要的能力，尤其是大厂对网络编程有较高的要求 @mikechen

比如在直播、实时通讯、游戏服务端开发等技术领域，通信协议和网络编程就成为了很重要的一个技术课题。

再比如你想做基础技术研发，比如消息队列、RPC框架的研发，那么网络编程也是必备的基础能力。

计算机网络

在学习Java网络编程之前，我们先来了解什么是计算机网络。

计算机网络是通过传输介质、通信设施和网络通信协议，把分散在不同地点的计算机设备互连起来的，实现资源共享和数据传输的系统。

网络编程就是编写程序使互联网的两个（或多个）设备（如计算机）之间进行数据传输。

计算机网络主要包括三部分：

• 计算机 （可以包括客户端、服务器）
• 网络设备 （路由器、交换机、防火墙等）
• 传输介质（可以分为有线和无线的）

 

按照地域范围可以对网络进行如下分类:

• 局域网 ：小范围内的私有网络，一个家庭内的网络、一个公司内的网络、一个校园内的网络都属于局域网。
• 广域网：把不同地域的局域网互相连接起来的网络。运营商搭建连接远距离区域的广域网。
• 互联网：由世界各地的局域网和广域网连接起来的网络，互联网是一个开放、互联的网络，不属于任何个人和任何机构。

 

网络体系结构

计算机网络是个复杂的系统，按照人们解决复杂问题的方法，把计算机网络实现的功能分到不同的层次上，层与层之间用接口连接。

七层模型

网络模型不是一开始就有的，在网络刚发展时，网络协议是由各互联网公司自己定义的，各家的协议也是不能互通的。这样大大的阻碍了互联网的发展，为了解决这个问题，国际标准化组织 1984 提出的模型标准，简称 OSI（Open Systems Interconnection Model），具体如下图：

简述每一层的含义：

1.物理层（Physical Layer）

建立、维护、断开物理连接。

2.数据链路层 (Link)

逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等。

3.网络层 (Network)

进行逻辑寻址，实现不同网络之间的路径选择。

4.传输层 (Transport)

定义传输数据的协议端口号，及流控和差错校验。

5.会话层（Session Layer）

建立、管理、终止会话。

6.表示层（Presentation Layer）

数据的表示、安全、压缩。

7.应用层 (Application)

网络服务与最终用户的一个接口

这一模型确实是绝大多数网络编程的基础，作为抽象类存在的，而TCP／IP协议栈只是这一模型的一个具体实现。

 

TCP/IP模型

TCP/IP 模型是由 OSI 模型演化而来，TCP/IP 模型将 OSI 模型由七层简化为五层（一开始为四层），应用层、表示层、会话层统一为应用层。

 

网络协议

如同人与人之间相互交流是需要遵循一定的规矩一样，计算机之间能够进行相互通信是因为它们都共同遵守一定的规则，即网络协议。

 

TCP协议

TCP 是面向连接的,提供端到端可靠性服务的传输层协议。

TCP协议特点

1）面向连接型的传输协议

也就是说，应用程序在使用TCP之前，必须先建立TCP传输连接，在传输数据完毕后，必须释放已建立的TCP传输连接。

2）仅支持单播传输

每条TCP传输连接只能有两个端点，只能进行点对点的数据传输，不支持多播（multicast）和广播（broadcast）传输方式。

3）支持全双工传输

TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据，因为TCP连接的两端都设有缓存，用来临时存放双向通信的数据。当然，TCP可以立即发送一个数据段，也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段（最大的数据段大小取决于MSS）。

4）TCP连接是基于字节流的，而非报文

TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输，而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。

5）每次发送的TCP数据段大小和数据段数都是可变的

在TCP中，因为每次发送多少字节的数据不是固定的，也不是由主机当前可用缓存决定的，而是根据双方给出的窗口大小和当前网络的拥塞程度决定的（后面会介绍UDP发送的报文长度是由应用进程给出的），所以每次可以发送的TCP数据大小是不固定的。

 

TCP的报文格式

1）源端口

数据发送方的端口号。

2）目的端口

数据接受方的端口号。

3）序号

seq序号，占4个字节,用来标识从TCP发送端向TCP接收端发送的数据字节流。

4）确认号

ack序号，即接收端希望收到的下一个数据报文中的第一个字节的序号。

5）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。

6）6个标志位

• 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

7）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。

8）校验和

占2个字节，范围包括首部和数据两部分。

9）选项

长度可变，最长可达40个字节，当没有使用“选项”时，TCP的首部长度是20字节。

报文格式例子

 

三次握手

1. 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。

2. 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。

3. 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。

 

四次挥手

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

为什么是三次握手四次挥手

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。

 

TCP/IP协议

TCP/IP协议被称为传输控制协议/互联网协议，又称网络通讯协议(Transmission Control Protocol)，是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成，是一个很大的协议集合。

1. 物理层和数据链路层没有定义任何特定协议，支持所有的标准和专用的协议；
2. 网络层定义了网络互联也就是IP协议，主要包括IP、ARP、RARP、ICMP、IGMP；
3. 传输层定义了TCP和UDP(User Datagram Protocol)，我们会后面重点介绍一下TCP协议；
4. 应用层定义了HTTP(超文本传输协议)、FTP(文件传输协议)、DNS(域名系统)等协议。

 

UDP协议

UDP，用户数据报协议，英文全称是User Datagram Protocol，它是TCP/IP协议簇中无连接的运输层协议。

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。

 

UDP协议格式

UDP 报文格式相对于简单，如下图：

1）源端口

发送方端口号，端口号0-65535，1-1024保留端口号，为标准的服务端口。

2）目的端口

接收方端口号

3）报文长度

UDP 用户数据报的总长度，以字节为单位。

4）校验和

检测 UDP 用户数据报在传输中是否有错，有错就丢弃。

用于校验 UDP 数据报的数字段和包含 UDP 数据报首部的“伪首部”。

5）数据

UDP 的数据部分如果不为偶数需要用 0 填补，就是说，如果数据长度为奇数，数据长度加“1”。

 

UPD与TCP的区别

1. TCP基于连接，UDP是无连接的；
2. 对系统资源的要求，TCP较多，UDP较少；
3. UDP程序结构较简单；
4. TCP是流模式，而UDP是数据报模式；
5. 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；

 

HTTP协议

HTTP，超文本传输协议，英文全称是Hypertext Transfer Protocol，它是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。

HTTP是一种应用层协议，它是基于TCP协议之上的请求/响应式的协议，即一个客户端与服务器建立连接后，向服务器发送一个请求。

服务器接到请求后，给予相应的响应信息，HTTP协议默认的端口号为80。

http请求报文格式

HTTP请求报文主要由请求行、请求头部、请求正文3部分组成:

http返回报文格式

HTTP响应报文主要由状态行、响应头部、响应正文3部分组成

HTTP和HTTPS的区别

HTTPS（全称：Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer），是以安全为目标的HTTP通道，简单来说就是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL层，HTTPS的安全基础是SSL，因此加密的详细内容就需要SSL。它是一个URL scheme（抽象标识符体系），句法类同http:体系，用于安全的HTTP数据传输。https:URL表明它使用了HTTP，但HTTPS存在不同于HTTP的默认端口及一个加密/身份验证层（在HTTP与TCP之间）。

HTTPS和HTTP的区别主要为以下四点：

1. https协议需要到ca申请证书，一般免费证书很少，需要缴费。
2. http是超文本传输协议，信息是明文传输，https则是具有安全性的ssl加密传输协议。
3. http和https使用的是完全不同的连接方式，用的端口也不一样，前者是80，后者是443。
4. http的连接很简单，是无状态的，https协议是有ssl+http协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，比http协议安全。

 

 

Java网络编程

在Java中，提供了两个类用于实现TCP通信程序：

1.客户端

java.net.Socket 类表示。创建Socket对象，向服务端发出连接请求，服务端响应请求，两者建立连接开始通信。

2.服务端

java.net.ServerSocket 类表示。创建ServerSocket对象，相当于开启一个服务，并等待客户端的连接。

Java的网络编程主要涉及到的内容是Socket编程，那么什么是Socket呢？简单地说，Socket，套接字，就是两台主机之间逻辑连接的端点。

TPC/IP协议是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输，而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。Socket，本质上就是一组接口，是对TCP/IP协议的封装和应用(程序员层面上)。

 

Socket

java.net.Socket 类代表客户端和服务器都用来互相沟通的套接字，套接字指的是两台设备之间通讯的端点。

Socket 类有 5 个构造方法：

Socket 常用方法

下面列出了一些感兴趣的方法，注意客户端和服务器端都有一个 Socket 对象，所以无论客户端还是服务端都能够调用这些方法。

ServerSocket

ServerSocket类：这个类实现了服务器套接字，该对象等待通过网络的请求。

ServerSocket 有多个构造方法：

ServerSocket 类的常用方法：

Socket 通信示例

服务端示例：

public class HelloServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Socket 服务端
        // 服务器在8888端口上监听
        ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
        System.out.println("服务器运行中，等待客户端连接。");
        // 得到连接，程序进入到阻塞状态
        Socket client = server.accept();
        // 打印流输出最方便
        PrintStream out = new PrintStream(client.getOutputStream());
        // 向客户端输出信息
        out.println("hello world");
        client.close();
        server.close();
        System.out.println("服务器已向客户端发送消息，退出。");
    }

}

客户端例子：

public class HelloClient {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Socket 客户端
        Socket client = new Socket("localhost", 8888);
        InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(client.getInputStream());
        // 一次性接收完成
        BufferedReader buf = new BufferedReader(inputStreamReader);
        String str = buf.readLine();
        buf.close();
        client.close();
        System.out.println("客户端接收到服务器消息：" + str + "，退出");
    }

}

 

陈睿mikechen

10年+大厂架构经验，资深技术专家，就职于阿里巴巴、淘宝、百度等一线互联网大厂。

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