什么是网络编程

什么是网络编程，相比于编写程序在本机上运行，网络编程是指编写两台不同的计算机的程序，基于网络协议，通过网络进行数据通信。

常见的网络程序软件架构有：BS（Broser浏览器/Server服务器）架构、CS（Client客户端/Server服务器）架构

1. BS架构：优势是用户不用下载客户端，使用浏览器即可快速获取服务，运营者可随时更新程序。劣势是所有程序和资源需要通过网络传输，产品精美和细腻程度不及CS架构的产品。
2. CS架构：优略势与BS架构相反。优势是用户提前下载好程序的所有资源，产品的精美和细腻程序可以做到非常高，而且可以更好的利用本地计算机算力，比如3A游戏都是CS架构。劣势是需要用户下载客户端程序，程序更新时比较麻烦，需要客户端更新软件。

网络编程三要素

要实现网络编程，必须实现网络通信需要确定通信对象（IP）、对象中的具体程序（端口）、通信规则（协议）。

第一步，首先要在网络中，找到对方的计算机设备。计算机网络中，IP是网络设备的唯一地址。
第二步，在对方的计算机设备中，找到要通信的软件，因为计算机中可能运行很多程序。比如微信服务端要发送数据到用户手机，需要找到用户手机中的微信客户端，而用户手机中可能有微信、QQ、淘宝等很多应用程序。计算机网络中，端口号是区分程序进程的编号。
第三步，需要确定通信方式，即网络协议。计算机网络协议有TCP、UDP、HTTP等协议。

所以，网络编程的三要素就是：IP、端口号、网络协议

IP

IP是网络通信中，设备的地址，具有唯一性。

IP有IPV4和IPV6两种。

IPV4

IPV4是指IP互联网通信协议第四版，IPV4用4个字节共32位，用4组（每组1个字节）来表示，比如：11000000 10101000 00000001 00000001。IPV4采用点分十进制，即使用符号点.来分组，采用十进制表示。因此，上述IPV4地址表示为：192.168.1.1

IPV4共32位，因此可以区分的地址有2的32次方共计4,294,967,296，而全球有数十亿人，每个人又有数台可上网的设备。因此，IPV4的地址是不够用的，实际上，IPV4早在2019年就已经用完了。

IPV4已经用完了，而IPV6并没有大规模普及，那IPV4是如何解决当前设备IP地址不够的问题？答案是使用局域网。IPV4规定192.168.0.0~192.168.255.255这些为局域网IP（还有其他私有IP段，不展开），一个区域内（比如一个网吧）的所有设备，使用一个公网IP，而所有区域内的网络设备，使用局域网IP。局域网内的所有设备上网，都使用公网IP对外传输和接收数据，然后通过NAT（网络地址转换）技术，将局域网各设备的数据包，再分发给各自设备。

公网IP+局域网IP的技术，造成了我们目前使用设备的IPV4地址都是192.168.X.X的原因。

局域网IP地址，一般是路由器通过DHCP技术随机分配给网络设备的，一段时间后局域网IP地址会改版。除此之外，我们的设备在不同的上网环境，路由器分配的局域网地址一般都是不同的，比如在教师里连WIFI，笔记本电脑被分配的局域网地址可能是192.168.10.245，而回到寝室，连有线网，笔记本电脑被分配的局域网地址变成了192.168.1.3。因此，本机程序之间进行通信，不能使用局域网IP地址，而是使用一个被称为本机IP或者回环地址的特殊IP：127.0.0.1。网络设备在识别到回环地址作为目标地址，不会将数据传输到路由器或者网关，而是直接传给本机。

IPV6

为解决IP枯竭问题，IPV6横空出世。IPV6采用16个字节128位，共8组（每组两个字节）来表示，比如：11111101 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001。IPV6采用冒分十六进制，即使用符号冒号:来分组，采用十六进制来表示。因此，上述IPV6地址表示为：fd00:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001。由于IPV6地址很长，因此固定可以省略每一最前面的一连串0，因此上述IPV6地址可简写为：fd00:0:0:0:0:0:0:1。并且，规定可以进一步将中间的0省略，即压缩表示为：fd00::1

IPV6共128位，因此可以区分的地址为2的128次方个，可以为地球上每一粒沙子都分配一个唯一的IP地址。因此，IPV6一定是足够人们使用。目前，IPV6正在逐步推广，全面取代IPV4仍需时间，目前很多环境是双栈（IPV4+IPV6）运行。

端口

端口是计算机中应用程序向外发送数据/接收数据的“口”，每个应用程序都有一个端口号。

端口号是用两个字节来表示的，也就是一共有0~65535，一共65536个端口号。

应用程序启动时，操作系统会为应用程序分配一个端口号，应用程序就用这个端口号向网络收发数据。

协议

网络协议是指网络通信、数据传输的标准或规范。计算机网络中有OSI七层模型和TCP/IP模型，其中TCP/IP模型将网络划分为应用层、传输层、网络层和物理链路层，TCP/IP模型是行业默认的标准。

TCP/IP模型中不同层有不同的网络协议，比如HTTP、FTP等就是应用层的协议，而TCP、UDP是传输层的协议，IP是网络层的协议。

UDP 程序通信

UDP协议特点是无连接，发送后不管，所以速度快。

创建UDP发送数据的程序步骤：

1. 创建一个发送数据的通信端点，需包括网络编程三要素：IP、端口和协议。发送时的IP是本机IP，无法自定义（更准确的是：在创建DatagramSocket时，可以用带IP对象的构造函数绑定到指定的本地IP地址和端口，但是一般不用IP对象作为构造函数参数，默认为本机IP）。端口号可指定发送端口号，但是由于端口号不能与别的程序占用的端口号，因此一般使用系统给的端口号。协议则体现到类上，UDP使用DatagramSocket。
2. 封装数据包。就像封装发送出去的快递包需要包含收货地址和收货人。UDP数据包需要包含发送的数据本身（字节数组）、目标地址（IP），目标端口号。其中，IP需要使用IP类InetAddress创建对象。UDP数据包为DatagramPacket类，需要用字节数组数据本身、IP对象和端口号封装。
3. 发送数据。DatagramSocket对象调用方法发送数据包。
4. 释放资源。DatagramSocket对象存在时占用了系统资源，因为系统开辟了端口号让程序独占使用，因此需要调用close（）方法释放资源。

// 发送端publicclassSendMessage{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{// 1. 创建一个发送UDP的通信对象DatagramSocketsocket=newDatagramSocket();// 2. 封装数据包// 目的地址和端口Stringip="127.0.0.1";// 发送到本机，用回环地址InetAddressdestinationIP=InetAddress.getByName(ip);// 目的地址intdestinationPort=10086;// 待发送的数据Stringdata="hello, world";// 待发送的数据：hello, worldbyte[]dataBytes=data.getBytes();// 转换为字节数组DatagramPacketpacket=newDatagramPacket(dataBytes,dataBytes.length,destinationIP,destinationPort);// 数据包对象// 3. 发送数据包socket.send(packet);// 4. 释放资源socket.close();}}

UDP接收数据的程序步骤：

1. 同发送数据相似，需要创建一个接收数据的通信端点，也是包括网络编程三要素：IP、端口和协议。接收时的IP是本机号。端口号需要注意，要使用与发送数据中的发送数据包的目标端口号，不对应则接收不到数据。协议也是体现到类上，UDP为DatagramSocket。
2. 接收数据。发送数据的是DatagramPacket对象，接收数据也需要用一个DatagramPacket对象进行接收，可以想象为收快递时，需要用一个快递盒子去接收。与发送时需要数据包DatagramPacket对象需要包含数据本身（字节数组）、目标地址（IP），目标端口号等内容时不同，接收数据的数据包，只需要定义数据包的大小即可（字节数组和接收数据的长度）。
3. 解析数据。接收的是DatagramPacket对象，调用相应的方法，可以获取数据包的数据本身、来源地址（IP）、来源端口号。
4. 关闭资源。与发送数据相同，需要调用close（）方法释放资源。

// 接收端publicclassReceiveMessage{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{// 1. 创建一个接收UDP的通信对象DatagramSocketsocket=newDatagramSocket(10086);// 指定接收端口为10086// 2. 接收数据byte[]buffer=newbyte[1024];// 创建一个1024字节的字节数组作为数据缓冲区，用于临时存储从网络接收到的数据DatagramPacketpacket=newDatagramPacket(buffer,buffer.length);// 创建一个数据包对象，最大接收数据长度为数组长度socket.receive(packet);// 3. 解析数据byte[]data=packet.getData();// 获取数据包中的数据StringreceivedData=newString(data,0,packet.getLength());// 将数据转换为字符串InetAddresssourceAddress=packet.getAddress();// 获取发送方的IP地址StringsourceAddressStr=sourceAddress.getHostAddress();// 解析为IP地址字符串intsourcePort=packet.getPort();// 获取发送方的端口号// 打印出接收到的数据和发送方的IP地址及端口号System.out.println("收到来自IP为"+sourceAddressStr+"，端口号为"+sourcePort+"的数据："+receivedData);// 4. 释放资源socket.close();}}

收到来自IP为127.0.0.1，端口号为65290的数据：hello, world 进程已结束，退出代码为0

TCP 程序通信

TCP协议是建立连接的协议，也就是在发送数据之前，需要先建立连接，连接建立失败则会异常，不可发送数据。TCP协议与UDP协议不同，TCP发送数据无需封装成数据包，还是通过数据流发送数据，因此发送和接收数据如同IO流。

TCP协议需要通过三次握手建立连接：

1. 第一次握手：客户端往服务端发送信息，请求建立连接
2. 第二次握手：服务端发送信息，表明统一建立连接。此时，服务端已就绪，等待客户端确认就绪
3. 第三次握手：客户端往服务端发送消息，表明自己已就绪，准备发送数据。服务端收到消息，确认客户端就绪，等待收取消息。

创建TCP发送消息的程序步骤为：

1. 创建一个客户端的通信端点，与UDP的DatagramSocket不需要接收端IP和端口号作为参数不同（因为接收端IP和端口号被封装到了数据包DatagramPacket内），客户端Socket对象在创建时就需要接收端IP和端口号，因为在发送数据之前，就要与服务端建立连接（创建对象时就建立连接）。客户端Socket对象创建与DatagramSocket相似点在于，可以不指定本机的IP和端口号，使用系统给的端口号和本机IP。
2. 从Socket中获取发送数据的输出流（原始字节流出留），通过输出流发送数据。Socket输出流是IO流，因此也可以使用字节流、字符流、转换流、缓冲流等原始流和处理流。
3. 释放资源。创建Socket占用系统资源，因为系统分配了端口号，需要调用close()方法释放资源。此外，IO流也需要关闭。需要注意，释放资源有一定顺序，客户端发送完数据立马进行关闭，存在两种可能：1. 数据还在缓冲区未被完全发送；2. 服务端未完全接收数据。因此，使用flush()让缓冲区的数据立即发送。

// 客户端publicclassClient{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{// 1. 创建一个Socket对象Socketsocket=newSocket("127.0.0.1",52522);// 指定接收端的IP和端口// 2. 通过Socket对象获取输出流OutputStreamos=socket.getOutputStream();BufferedOutputStreambos=newBufferedOutputStream(os);// 使用缓冲流（仅做演示，非必须）OutputStreamWriterosw=newOutputStreamWriter(bos);// 使用OutputStreamWriter将字节流转换为字符流osw.write("Hello, Server!");// 写入数据osw.flush();// 刷新缓冲区，确保数据发送// 3. 释放资源（按正确顺序）osw.close();// 释放字符流资源bos.close();// 释放缓冲流资源socket.close();// 释放Socket资源，自动关闭底层的字节输入流和字节输出流}}

创建TCP接收消息的程序步骤为：

1. 创建一个接收数据的通信端点。与UDP不同，TCP的服务端采用与客户端不同的类ServerSocket。端口号与UDP协议相似，要使用客户端Socket目标端口号相同的端口号，不对应则接收不到数据。
2. 等待与客户端建立连接。调用accept()方法，一直监听端口，等待客户端进行三次握手建立连接。建立连接之前，线程是阻塞的状态。链接建立后，返回一个客户端Socket对象。
3. TCP建立连接后，通过IO流传输数据。发送端是Output，接收端是Input。因此，从Socket对象中获得IO基本的字节输入流。
4. 解析数据。字节输入流可以通过字符流、转换流、缓冲流等处理流，处理解析数据。
5. 释放资源。释放IO流和Socket资源。

// 服务器端publicclassServer{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{// 1. 创建一个ServerSocket对象ServerSocketserverSocket=newServerSocket(52522);// 2. 等待与客户端建立连接Socketsocket=serverSocket.accept();// 链接建立后，返回一个Socket对象// 3. 获得字节输入流对象InputStreamis=socket.getInputStream();// 4. 将字节输入流转换为字符输入流，读取数据并打印成字符串InputStreamReaderisr=newInputStreamReader(is);intlen=0;char[]chs=newchar[1024];if((len=isr.read(chs))!=-1){System.out.println(newString(chs,0,len));}// 一般情况下，服务器端会循环接收多个客户端的请求// 无需手动关闭Socket// 5. 释放资源isr.close();// 关闭字符输入流// is.close(); // 无需手动关闭字节输入流socket.close();// 关闭Socket，会自动关闭底层的字节输入流和字节输出流}}

TCP协议建立连接需要三次握手，关闭连接需要四次挥手。

1. 第一次挥手：客户端发起信息，请求关闭连接。
2. 第二次挥手：服务端收到信息，但是收到客户端发送关闭连接请求时，服务端还没有完全收全所有之前发送的数据。但是，服务端需要让客户端知道它收到了关闭连接的请求。因此，服务端会给客户端发送确认收到关闭请求的信息。
3. 第三次挥手：当服务端接收完所有数据后，会再次给客户端发送一条信息，表明自己已经安全收到所有传输的数据。发送确认关闭连接的信息给客户端，表明服务器已就绪，准备关闭。
4. 第四次挥手：当客户端收到服务端发送的关闭确认请求后，发送一个自己已确认关闭连接的请求，发送后，客户端关闭连接。而服务器收到信息后，也关闭连接。