基础-网络编程基础概念
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基础-网络编程基础概念
概述
网络编程是Java开发中实现跨进程通信的核心技术，主要基于TCP/IP协议栈，通过Socket接口实现不同主机间的数据传输。本章节将从网络模型、通信协议到Java Socket编程逐步展开，建立完整的网络编程知识体系。
知识要点
1. 网络模型
1.1 OSI七层模型
OSI七层模型是国际标准化组织(ISO)提出的网络通信参考模型，从下到上分为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层负责不同的通信功能，通过分层设计实现网络通信的模块化。
1.2 TCP/IP四层模型
TCP/IP模型是实际应用中广泛采用的网络模型，将OSI七层模型简化为四层：网络接口层、网络层、传输层和应用层。Java网络编程主要涉及传输层(TCP/UDP)和应用层(HTTP等协议)。
2. 核心传输协议
2.1 TCP协议
TCP(传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。它通过三次握手建立连接，四次挥手释放连接，并采用确认重传、流量控制和拥塞控制等机制保证数据传输的可靠性。
2.2 UDP协议
UDP(用户数据报协议)是一种无连接的、不可靠的传输层协议。它不保证数据的可靠传输和顺序到达，但具有传输速度快、开销小的特点，适用于实时性要求高的场景如视频通话、在线游戏等。
3. Java Socket编程基础
3.1 Socket概念
Socket(套接字)是网络通信的端点，由IP地址和端口号唯一标识。Java中通过java.net.Socket类表示客户端套接字，java.net.ServerSocket类表示服务器端套接字。
3.2 TCP通信流程
TCP通信需要经历服务器端启动、客户端连接、数据传输和连接关闭四个阶段，以下是基于Java的TCP通信示例：
服务器端代码：
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* TCP服务器端示例
* 功能：监听指定端口，接收客户端连接并处理数据
*/
public class TcpServer {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket serverSocket = null;
Socket clientSocket = null;
try {
// 1. 创建ServerSocket，绑定端口8888
serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务器已启动，等待客户端连接...");
// 2. 监听客户端连接（阻塞方法）
clientSocket = serverSocket.accept();
System.out.println("客户端已连接：" + clientSocket.getInetAddress());
// 3. 获取输入流，读取客户端数据
try (InputStream in = clientSocket.getInputStream()) {
byte[] buffer = new byte[1024];
int len = in.read(buffer);
String message = new String(buffer, 0, len);
System.out.println("收到客户端消息：" + message);
// 4. 获取输出流，向客户端发送响应
try (OutputStream out = clientSocket.getOutputStream()) {
String response = "服务器已收到消息：" + message;
out.write(response.getBytes());
out.flush();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 5. 关闭资源
try {
if (clientSocket != null) clientSocket.close();
if (serverSocket != null) serverSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}客户端代码：
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
/**
* TCP客户端示例
* 功能：连接服务器，发送数据并接收响应
*/
public class TcpClient {
public static void main(String[] args) {
Socket socket = null;
try {
// 1. 创建Socket，连接服务器（IP地址和端口）
socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
// 2. 获取输出流，向服务器发送数据
try (OutputStream out = socket.getOutputStream()) {
String message = "Hello, TCP Server!";
out.write(message.getBytes());
out.flush();
System.out.println("已向服务器发送消息：" + message);
// 3. 获取输入流，接收服务器响应
try (InputStream in = socket.getInputStream()) {
byte[] buffer = new byte[1024];
int len = in.read(buffer);
String response = new String(buffer, 0, len);
System.out.println("收到服务器响应：" + response);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 4. 关闭资源
try {
if (socket != null) socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}3.3 UDP通信示例
UDP通信不需要建立连接，直接发送数据报，以下是UDP通信的简单实现：
UDP发送端代码：
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
/**
* UDP发送端示例
* 功能：向指定地址和端口发送UDP数据报
*/
public class UdpSender {
public static void main(String[] args) {
try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket()) {
// 1. 准备发送数据
String message = "Hello, UDP Receiver!";
byte[] data = message.getBytes();
// 2. 创建数据报包，指定目标地址和端口
InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, address, 9999);
// 3. 发送数据报
socket.send(packet);
System.out.println("UDP数据发送成功：" + message);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}UDP接收端代码：
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
/**
* UDP接收端示例
* 功能：监听指定端口，接收UDP数据报
*/
public class UdpReceiver {
public static void main(String[] args) {
try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9999)) {
// 1. 创建缓冲区
byte[] buffer = new byte[1024];
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, buffer.length);
System.out.println("UDP接收端已启动，等待数据...");
// 2. 接收数据（阻塞方法）
socket.receive(packet);
// 3. 处理数据
String message = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength());
System.out.println("收到UDP数据：" + message);
System.out.println("发送方地址：" + packet.getAddress() + ", 端口：" + packet.getPort());
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}知识扩展
设计思想
网络编程的核心设计思想是"分层抽象"和"接口标准化"：
- 分层抽象：通过OSI/TCP/IP模型将复杂的网络通信分解为多个独立的层次，每个层次专注于解决特定问题，降低系统复杂度
- 接口标准化：Java提供统一的Socket API，屏蔽了底层操作系统的差异，使开发者可以用相同的方式编写跨平台的网络应用
- 面向连接与无连接并存：TCP和UDP协议分别满足不同场景的需求，体现了"按需选择"的设计哲学
避坑指南
- 资源释放问题：Socket、ServerSocket等网络资源必须显式关闭，建议使用try-with-resources语法自动管理资源
- 端口占用问题：绑定端口时可能出现AddressAlreadyInUseException，可通过设置SO_REUSEADDR参数允许端口复用
serverSocket.setReuseAddress(true); // 服务器端设置 socket.setReuseAddress(true); // 客户端设置 - 数据粘包问题：TCP是流式协议，可能出现数据粘包，解决方案包括：
- 固定长度消息
- 消息长度+数据格式
- 特殊分隔符
- 超时处理：网络操作应设置超时时间，避免程序无限阻塞
socket.setSoTimeout(3000); // 设置读取超时时间为3秒 - 异常处理：网络通信中可能出现各种IO异常，需要全面的异常处理机制
深度思考题
思考题1：TCP三次握手和四次挥手的具体过程是什么？为什么挥手需要四次而握手只需要三次？
思考题回答： TCP三次握手过程：
- 客户端发送SYN包（同步序列编号）请求建立连接
- 服务器收到SYN包后，发送SYN+ACK包（同步+确认）响应
- 客户端收到SYN+ACK包后，发送ACK包（确认）完成连接建立
四次挥手过程：
- 主动关闭方发送FIN包（结束）请求关闭连接
- 被动关闭方收到FIN包后，发送ACK包确认
- 被动关闭方准备好后，发送FIN包请求关闭连接
- 主动关闭方发送ACK包确认
挥手需要四次的原因：TCP连接是全双工的，双方需要分别关闭各自的发送通道。被动关闭方收到FIN包时，可能还有数据未发送完成，因此需要先发送ACK确认，待数据发送完毕后再发送FIN包。而握手时服务器可以将SYN和ACK合并发送，因此只需三次。
思考题2：如何在Java中实现一个简单的HTTP服务器？
思考题回答： 可以基于ServerSocket实现简单的HTTP服务器，核心步骤包括：
- 创建ServerSocket监听80端口
- 循环接收客户端连接
- 读取HTTP请求报文
- 解析请求行、请求头和请求体
- 构造HTTP响应报文
- 通过输出流发送响应
- 关闭连接（HTTP/1.0）或保持连接（HTTP/1.1）
核心代码框架：
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(80);
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
try (InputStream in = socket.getInputStream();
OutputStream out = socket.getOutputStream()) {
// 读取请求
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
String requestLine = reader.readLine();
// 构造响应
String response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n"
+ "Content-Type: text/html\r\n"
+ "\r\n"
+ "<h1>Hello, HTTP Server!</h1>";
out.write(response.getBytes());
} finally {
socket.close();
}
}