引言
????????在當今數字化的時代，網絡編程在軟件開發中扮演著至關重要的角色。Java 作為一門廣泛應用的編程語言，提供了強大的網絡編程能力。今天，我們深入學習了 Java 網絡編程的基礎知識，包括基本的通信架構、網絡編程三要素、IP 地址、TCP 協議、UDP 通信等內容。接下來，我們將對這些知識點進行詳細的總結。
基本的通信架構
????????在網絡編程中，常見的通信架構有客戶端 - 服務器（Client - Server，C/S）架構和瀏覽器 - 服務器（Browser - Server，B/S）架構。
C/S 架構
????????客戶端 - 服務器架構是一種傳統的網絡通信模式。在這種架構中，客戶端程序向服務器發送請求，服務器接收到請求后進行處理，并將處理結果返回給客戶端。例如，我們使用的 QQ、微信等即時通訊軟件就是典型的 C/S 架構應用。以下是一個簡單的 C/S 架構 Java 示例，模擬客戶端向服務器發送消息：
import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;// 服務器端
class SimpleServer {public static void main(String[] args) {try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(12345)) {System.out.println("Server is listening on port 12345");Socket socket = serverSocket.accept();BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));String message = in.readLine();System.out.println("Received from client: " + message);socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}// 客戶端
class SimpleClient {public static void main(String[] args) {try (Socket socket = new Socket("localhost", 12345);PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true)) {String message = "Hello, Server!";out.println(message);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}B/S 架構
????????瀏覽器 - 服務器架構是一種基于 Web 技術的網絡通信模式。在這種架構中，客戶端只需要通過瀏覽器訪問服務器上的網頁，服務器將網頁內容返回給瀏覽器進行顯示。例如，我們日常使用的各種網站就是 B/S 架構的應用。以下是一個簡單的 Java Servlet 示例模擬 B/S 架構的服務器端處理：
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.annotation.WebServlet;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;@WebServlet("/hello")
public class HelloServlet extends HttpServlet {protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {response.setContentType("text/html");PrintWriter out = response.getWriter();out.println("<html><body>");out.println("<h1>Hello, World!</h1>");out.println("</body></html>");}
}網絡編程三要素
????????網絡編程的三要素包括 IP 地址、端口號和協議。
IP 地址
????????IP 地址是互聯網協議地址的縮寫，它是用于標識網絡中設備的唯一標識符。通過 IP 地址，不同設備之間可以進行通信。
端口號
????????端口號是用于標識應用程序的數字。在一臺設備上，可能同時運行著多個應用程序，每個應用程序通過不同的端口號來接收和發送數據。端口號的范圍是 0 - 65535，其中 0 - 1023 通常被系統保留使用。
協議
????????協議是網絡通信中雙方必須遵循的規則和約定。常見的網絡協議有 TCP（傳輸控制協議）和 UDP（用戶數據報協議），我們將在后面詳細介紹這兩種協議。
IP 地址詳解
IP 地址的作用
????????IP 地址的主要作用是在網絡中唯一標識一臺設備，使得不同設備之間能夠進行通信。就像我們的家庭地址一樣，通過 IP 地址，數據可以準確地從源設備傳輸到目標設備。
IP 地址的分類
????????IP 地址主要分為 IPv4 和 IPv6 兩種類型。
IPv4
????????IPv4 是目前廣泛使用的 IP 地址版本，它由 32 位二進制數組成，通常用點分十進制表示，例如?192.168.1.1。由于 IPv4 地址空間有限，隨著互聯網的發展，IPv4 地址已經逐漸耗盡。
IPv6
????????IPv6 是為了解決 IPv4 地址不足的問題而推出的新一代 IP 地址版本。它由 128 位二進制數組成，采用冒號十六進制表示，例如?2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6 提供了巨大的地址空間，可以滿足未來互聯網發展的需求。
公網 IP 和 內網 IP
公網 IP
????????公網 IP 是可以直接在互聯網上訪問的 IP 地址。每個公網 IP 地址在全球范圍內都是唯一的。通常，企業、機構和互聯網服務提供商（ISP）會擁有公網 IP 地址。
內網 IP
????????內網 IP 是用于局域網內部通信的 IP 地址。內網 IP 地址在局域網內部是唯一的，但在不同的局域網中可以重復使用。常見的內網 IP 地址段有?10.0.0.0 - 10.255.255.255、172.16.0.0 - 172.31.255.255?和?192.168.0.0 - 192.168.255.255。
查看本機 IP 地址
Windows 系統
????????在 Windows 系統中，可以通過以下步驟查看本機 IP 地址：
- 打開命令提示符（CMD）。
- 在命令提示符中輸入?
ipconfig?命令，按下回車鍵。 - 在輸出結果中，可以找到本機的 IP 地址信息。
Linux 系統
????????在 Linux 系統中，可以通過以下命令查看本機 IP 地址：
ifconfigmacOS 系統
????????在 macOS 系統中，可以通過以下步驟查看本機 IP 地址：
- 打開 “系統偏好設置”。
- 點擊 “網絡”。
- 在左側列表中選擇當前連接的網絡，右側會顯示本機的 IP 地址信息。
查看是否與對方互通
????????可以使用?ping?命令來測試是否與對方設備互通。在命令提示符或終端中輸入以下命令：
ping 對方 IP 地址如果能夠收到對方設備的響應，表示與對方設備互通；如果無法收到響應，則可能存在網絡連接問題。
本機 IP
????????本機 IP 是指當前設備在網絡中的 IP 地址。在局域網中，本機 IP 通常是內網 IP 地址；如果設備直接連接到互聯網，則本機 IP 是公網 IP 地址。
TCP 協議特點
????????TCP（傳輸控制協議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層協議。它具有以下特點：
面向連接
????????在進行數據傳輸之前，TCP 會先建立連接，確保雙方設備都處于可用狀態。連接建立后，雙方可以進行數據傳輸，傳輸完成后，再關閉連接。
可靠傳輸
????????TCP 通過確認機制、重傳機制和滑動窗口機制等保證數據的可靠傳輸。如果發送方發送的數據沒有收到接收方的確認信息，發送方會重新發送該數據。
字節流傳輸
????????TCP 將應用層的數據看作是無結構的字節流進行傳輸，接收方需要根據應用層的協議來解析這些字節流。
擁塞控制
????????TCP 具有擁塞控制機制，當網絡出現擁塞時，TCP 會自動調整發送數據的速率，以避免網絡擁塞進一步惡化。
UDP 通信
????????UDP（用戶數據報協議）是一種無連接的、不可靠的傳輸層協議。與 TCP 不同，UDP 在進行數據傳輸之前不需要建立連接，也不保證數據的可靠傳輸。UDP 的特點是傳輸速度快、開銷小，適用于對實時性要求較高、對數據準確性要求相對較低的應用場景，例如視頻直播、音頻通話等。
以下是一個簡單的 Java UDP 通信示例：
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;// UDP 發送端
class UDPSender {public static void main(String[] args) throws IOException {// 創建 DatagramSocket 對象DatagramSocket socket = new DatagramSocket();// 要發送的數據String message = "Hello, UDP!";byte[] sendData = message.getBytes();// 目標地址和端口InetAddress address = InetAddress.getByName("localhost");int port = 8888;// 創建 DatagramPacket 對象DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, address, port);// 發送數據socket.send(sendPacket);// 關閉套接字socket.close();}
}// UDP 接收端
class UDPReceiver {public static void main(String[] args) throws IOException {// 創建 DatagramSocket 對象，并指定端口號DatagramSocket socket = new DatagramSocket(8888);// 創建接收數據的緩沖區byte[] receiveData = new byte[1024];// 創建 DatagramPacket 對象DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);// 接收數據socket.receive(receivePacket);// 解析接收到的數據String message = new String(receivePacket.getData(), 0, receivePacket.getLength());System.out.println("Received: " + message);// 關閉套接字socket.close();}
}TCP 通信
????????TCP 通信是一種面向連接的通信方式，需要先建立連接，再進行數據傳輸，最后關閉連接。以下是一個簡單的 Java TCP 通信示例：
import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;// TCP 服務器端
class TCPServer {public static void main(String[] args) {try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999)) {System.out.println("Server is listening on port 9999...");// 等待客戶端連接Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("Client connected: " + socket.getInetAddress());// 獲取輸入流BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));// 獲取輸出流PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);// 讀取客戶端發送的數據String inputLine;while ((inputLine = in.readLine()) != null) {System.out.println("Received from client: " + inputLine);// 向客戶端發送響應out.println("Server received: " + inputLine);}// 關閉連接socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}// TCP 客戶端
class TCPClient {public static void main(String[] args) {try (Socket socket = new Socket("localhost", 9999);PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))) {String userInput;while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {// 向服務器發送數據out.println(userInput);// 讀取服務器的響應String response = in.readLine();System.out.println("Received from server: " + response);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}綜合案例
????????假設我們要實現一個簡單的文件傳輸系統，客戶端將本地文件發送給服務器，服務器接收文件并保存到本地。以下是一個基于 TCP 協議的文件傳輸系統的示例代碼：
import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;// 文件傳輸服務器端
class FileTransferServer {public static void main(String[] args) {try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(12345)) {System.out.println("Server is listening on port 12345...");// 等待客戶端連接Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("Client connected: " + socket.getInetAddress());// 獲取輸入流InputStream in = socket.getInputStream();// 創建文件輸出流FileOutputStream fos = new FileOutputStream("received_file.txt");byte[] buffer = new byte[4096];int bytesRead;while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {fos.write(buffer, 0, bytesRead);}// 關閉流和連接fos.close();in.close();socket.close();System.out.println("File received successfully.");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}// 文件傳輸客戶端
class FileTransferClient {public static void main(String[] args) {try (Socket socket = new Socket("localhost", 12345);FileInputStream fis = new FileInputStream("test_file.txt");OutputStream out = socket.getOutputStream()) {byte[] buffer = new byte[4096];int bytesRead;while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {out.write(buffer, 0, bytesRead);}// 關閉流和連接fis.close();out.close();socket.close();System.out.println("File sent successfully.");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}總結
????????通過今天的學習，我們對 Java 網絡編程有了更深入的了解。掌握了基本的通信架構、網絡編程三要素、IP 地址、TCP 協議和 UDP 通信等基礎知識，并通過實際的代碼示例加深了對這些知識的理解和應用。網絡編程是 Java 開發中非常重要的一部分，在實際項目中有著廣泛的應用，我們需要不斷學習和實踐，才能更好地掌握這門技術。
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