基础知识

ICMP 协议，属于网络层协议，主要用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息（网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等）。ping 和 tracert 都利用 ICMP 协议来实现网络功能。

• IP 地址

  • IP 地址是一个 32 位（32bit）或 128 位的二进制数，用于唯一地标识网络中的一个通信实体
  • IPv4
    • IPv4 地址被分成了 A、B、C、D、E 五类
    • IPv4 地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a, b, c, d 都是 0~255 之间的十进制整数
    • 表示本机：127.0.0.1 localhost 本机 IP
    • 本地局域网：10.0.0.0 - 10.255.255.255、192.168.0.0 - 192.168.255.255
    • IPv4 专用地址 (opens new window)
      
  • IPv6 有 3 种表示方法，分别是：
    1. 冒分十六进制表示法：用冒号分割 8 个区块，每个区块 4 个十六进制数字，如 2400:cb00:2048:1:0:0:6ca2:c665
    2. 0 位压缩表示法：两个冒号标识多个 0 区块，但每个地址中双冒号最多出现一次，如 2001:1234:4567:0000:0000:0000:8888 可缩写为 2001:1234:4567::8888
  3. 内嵌 IPv4 地址表示法：IPv6 和 IPv4 的混合网络中，IPv6 地址的最后 4 字节有时可用 IPv4 的点分四段地址，如 2001:1234:4567::c0a8:0a64 可以写为 2001:1234:4567::192.168.10.100

• 端口
  端口是一个 16 位的整数，用于表示数据交给哪个通信程序处理，分为：

  1. 公认端口：从 0 到 1023
  2. 注册端口：从 1024 到 49151
  3. 动态和/或私有端口：从 49152 到 65535

• 协议
  Java 默认提供了对 file、ftp、gopher、http、https、jar、mailto、netdoc 协议的支持

• socket（套接字）
  源 IP 地址和目的 IP 地址以及源端口号和目的端口号的组合
  不同主机之间的进程进行双向通信的端点

// 获取非回环地址
for (Enumeration<NetworkInterface> en = NetworkInterface.getNetworkInterfaces(); en.hasMoreElements(); ) {
    NetworkInterface intf = en.nextElement();
    for (Enumeration<InetAddress> enumIpAddr = intf.getInetAddresses(); enumIpAddr.hasMoreElements(); ) {
        InetAddress inetAddress = enumIpAddr.nextElement();
        if (!inetAddress.isLoopbackAddress() && !inetAddress.isLinkLocalAddress() && inetAddress.isSiteLocalAddress()) {
            System.out.println(inetAddress.getHostAddress());
        }

    }
}

// org.springframework.cloud.commons.util.InetUtils
InetUtilsProperties target = new InetUtilsProperties();
String ipAddress = new InetUtils(target).findFirstNonLoopbackHostInfo().getIpAddress();

Socket 通信

Socket 是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口 在设计模式中，Socket 其实就是一个门面模式，它把复杂的 TCP/IP 协议族隐藏在 Socket 接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让 Socket 去组织数据，以符合指定的协议

Java 的基本网络支持

• java.net 包下

InetAddress

• 代表 IP 地址

• 类方法
  InetAddress getByName(String host)：根据主机获取对应的 IP 对象
  InetAddress getLocalHost()：类方法，获取本机 IP 地址对应的 IP 对象
  isReachable()：测试是否可以在指定时间内到达该地址

• 实例方法
  String getHostAddress()：返回该 InetAddress 实例对应的 IP 地址字符串
  String getHostName()：获取此 IP 地址的主机名
  String getCanonicalHostName()：获取此 IP 地址的全限定域名

URLDecoder 和 URLEncoder

• 用于完成 URL 地址中普通字符串和 application/x-www-form-urlencoded MIME 字符串之间的相互转换

1. String URLDecoder.decode(String s, String enc)：使用指定字符集将特殊字符串转换成普通字符串（解码）
2. String URLEncoder.encode(String s, String enc)：使用指定字符集将普通字符串转换成特殊字符串（编码）（~ ! * ( ) - _ ' . 不会被编码）

URI 和 URL

• URI：统一资源标示符（绝对 URI、相对 URI） 语法：[scheme:]scheme-specific-part

• URL：统一资源定位符，是 URI 的子集；它除了标识资源的位置，还提供一种定位该资源的主要访问机制（如其网络“位置”），即提供具体方式找到该资源（位置+方式）

  • URL 的格式由下列三部分组成：第一部分是协议或称为服务方式（指定低层使用的协议，例如：http、https、ftp），第二部分是存有该资源的主机 IP 地址（有时也包括端口号），第三部分是主机资源的具体地址（如目录和文件名等）
  • 第一部分和第二部分之间用 "😕/" 符号隔开，第二部分和第三部分用 "/" 符号隔开
  • 第一部分和第二部分是不可缺少的，第三部分有时可以省略

URI

• URI 实例代表一个统一资源标识符，不能用于定位任何资源，唯一作用是解析（resolve）
• 创建 URI 对象
  1. 通过构造器 URI(String str)、URI(String scheme, String userInfo, String host, int port, String path, String query, String fragment)
  2. 通过静态方法 URI create(String str)

URL

• URL 对象代表一个统一资源定位符，通过定位的方式确定一个资源
• URL 可以由协议名、主机、端口和资源名组成
  格式：protocol://host:port/resourceName，如 http://www.example.org/index.html
• 创建 URL 对象
  URL(String spec)：根据 String 表示形式创建 URL 对象
  URL(String protocol, String host, int port, String file)：根据指定协议、主机、端口号（-1，表示使用指定协议的默认端口）和资源文件（如 "/index.html"）创建 URL 对象
• 访问 URL 对应的资源
  String getFile()：获取该 URL 的资源名
  String getHost()：获取该 URL 的主机名
  String getPath()：获取该 URL 的路径部分
  int getPort()：获取该 URL 的端口号
  String getProtocol()：获取该 URL 的协议名称
  String getQuery()：获取该 URL 的查询字符串部分
  URLConnection openConnection()：返回一个 URLConnection 对象，它代表了与 URL 所引用的远程对象的连接
  InputStream openStream()：打开与此 URL 的连接，并返回一个用于读取该 URL 资源的输入流

URLConnection

• 封装访问远程网络资源一般方法的类

• 通过 URLConnection 实例向该 URL 发送请求、读取 URL 引用的资源

• 实例方法
  InputStream getInputStream()：返回该 URLConnection 对应的输入流，用于获取 URLConnection 响应的内容
  OutputStream getOutputStream()：返回该 URLConnection 对应的输出流，用于向 URLConnection 发送请求参数

• 发送 GET 请求时只需将请求参数放在 URL 字符串之后，以?隔开，程序直接调用 URLConnection 对象的 connect() 方法即可

• 发送 POST 请求，则需要先设置 doln 和 doOut 两个请求头字段的值，再使用 URLConnection 对应的输出流来发送请求参数

基于 TCP 协议的网络编程

• TCP/IP 通信协议是一种可靠的网络协议，它在通信的两端各建立一个 Socket，从而在通信的两端之间形成网络虚拟链路
• TCP 协议：面向连接（经历三次握手）、传输可靠（保证数据正确性、数据顺序）、用于传输大量数据（字节流模式）、速度慢，建立连接需要开销较多（时间、系统资源）
• IP 协议负责将消息从一个主机传送到另一个主机，消息在传送的过程中被分割成一个个的小包
• TCP 协议负责收集这些信息包，并将其按适当的次序放好传送
• 服务器端通过 ServerSocket 建立监听，客户端通过 Socket 连接到指定服务器后，通信双方就可以通过 IO 流进行通信

• 三次握手建连、四次挥手断连

建连时，Server 端的 SYN 和 ACK 合并为一次发送，而断连时，两个方向上停止数据发送的时间可能不同，所以不能合并发送 FIN 和 ACK

需要等待 2 倍最大报文段生存时长（2MSL）之后再关闭连接：保证 TCP 协议的全双工连接能够可靠关闭；保证这次连接的重复数据段从网络中消失，防止端口被重用时可能产生数据混淆

使用 ServerSocket 创建 TCP 服务器端

• 构造器
  ServerSocket(int port)：用指定的端口 port 来创建一个 ServerSocket
• 监听来自客户端连接请求
  Socket accept()：如果接收到一个客户端 Socket 的连接请求，该方法将返回一个与客户端 Socket 对应的 Socket，否则该方法将一直处于等待状态，线程也被阻塞
  InetAddress getInetAddress()：返回此服务器端的 IP 对象
• 服务器端应该为每个 Socket 单独启动一个线程，每个线程负责与一个客户端进行通信

// 创建一个 ServerSocket，用于监听客户端 Socket 的连接请求
ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);
// 采用循环不断接受来自客户端的请求
while (true) {
    // 每当接受到客户端 Socket 的请求，服务器端也对应产生一个 Socket
    Socket s = ss.accept();
    System.out.println("连接的客户端地址：" + s.getInetAddress());

    BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
    System.out.println("客户端传来数据：" + in.readLine());

    PrintStream out = new PrintStream(s.getOutputStream(), true);
    out.println("hello!"); // 发送消息

    in.close();
    out.close();
    s.close();
}

使用 Socket 进行通信

• Java 使用 Socket 对象来代表两端的通信端口，并通过 Socket 产生 IO 流来进行网络通信
• 使用 Socket 的构造器来连接到指定服务器
  Socket(InetAddress/String remoteAddress, int port)：创建连接到指定远程主机、远程端口的 Socket，使用本地主机的默认 IP 地址，系统动态分配的端口
  Socket(InetAddress/String remoteAddress, int port, InetAddress localAddr, int localPort)：创建连接到指定远程主机、远程端口的 Socket，并指定本地 IP 地址和本地端口
• 获取输入流和输出流
  InputStream getInputStream()：返回该 Socket 对象对应的输入流，让程序通过该输入流从 Socket 中取出数据
  OutputStream getOutputStream()：返回该 Socket 对象对应的输出流，让程序通过该输出流向 Socket 中输出数据
  InetAddress getInetAddress()：返回该 Socket 对象的的 IP 对象
• 客户端应该单独启动一个线程，该线程专门负责读取服务器端数据

Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);

PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
out.println(new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)).readLine()); // 发送消息

BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
System.out.println("服务端传来的数据：" + in.readLine());

out.close();
in.close();
socket.close();

基于 UDP 协议的网络编程

• UDP 协议：面向无连接、传输不保证可靠（丢包）、用于传输少量数据（数据包模式）、速度快。发送端和接收端
• UDP 协议的主要作用是完成网络数据流和数据包之间的转换
• 使用 DatagramSocket 来发送、接收数据包（DatagramPacket）
  使用 MulticastSocket 来实现多点广播通信

使用 DatagramSocket 发送、接收数据包

• DatagramSocket 的构造器
  DatagramSocket()：创建一个 DatagramSocket 实例，并将该对象绑定到本机默认 IP 地址、系统动态分配的端口
  DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)：创建一个 DatagramSocket 实例，并将该对象绑定到指定 IP 地址、指定端口

• 接收和发送数据
  void receive(DatagramPacket p)：从该 DatagramSocket 中接收数据包
  void send(DatagramPacket p)：以该 DatagramSocket 对象向外发送数据包

使用 DatagramPacket 来代表数据包

• DatagramPacket 的构造器
  DatagramPacket(byte[]buf, int length)：以一个空数组来创建 DatagramPacket 对象，该对象的作用是接收 DatagramSocket 中的数据
  DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length)：以一个空数组来创建 DatagramPacket 对象，并指定接收到的数据放入 buf 数组中时从 offset 开始，最多放 length 个字节
  DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress addr, int port)：以包含数据的数组来创建一个用于发送的 DatagramPacket 对象，创建该 DatagramPacket 对象时还指定了 IP 地址和端口（该数据包的目的地）
  DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port)：以包含数据的数组来创建一个用于发送的 DatagramPacket 对象，指定发送 buf 数组中从 offset 开始，总共 length 个字节

• 获取发送者的 IP 地址和端口
  InetAddress getAddress()：返回此数据包的目标机器/发送主机的 IP 地址
  int getPort()：返回此数据包的目标机器/发送主机的端口
  SocketAddress getSocketAddress()：返回此数据包的目标 SocketAddress 或发送此数据包的主机的 SocketAddress