计算机网络是经过传输介质、通讯设施和网络通讯协议,把分散在不一样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。Java语言对网络编程提供了良好的支持。经过其提供的接口咱们能够很方便地进行网络编程。html
计算机网络20世纪60年代出现,经历了20世纪70年代、80年代和90年代的发展,进入21世纪后,计算机网络已经成为信息社会的基础设施,深刻到人类社会的方方面面,与人们的工做、学习和生活息息相关。计算机网络分为网络协议和网络体系结构。java
经过网络发送数据是一项复杂的操做,必须仔细地协调网络的物理特性以及所发送数据的逻辑特征。经过网络将数据从一台主机发送到另外的主机,这个过程是经过计算机网络通讯来完成。git
网络通讯的不一样方面被分解为多个层,层与层之间用接口链接。通讯的双方具备相同的层次,层次实现的功能由协议数据单元(PDU)来描述。不一样系统中的同一层构成对等层,对等层之间经过对等层协议进行通讯,理解批次定义好的规则和约定。每一层表示为物理硬件(即线缆和电流)与所传输信息之间的不一样抽象层次。在理论上,每一层只与紧挨其上和其下的层对话。将网络分层,这样就能够修改甚至替换某一层的软件,只要层与层之间的接口保持不变,就不会影响到其余层。程序员
计算机网络体系结构是计算机网络层次和协议的集合,网络体系结构对计算机网络实现的功能,以及网络协议、层次、接口和服务进行了描述,但并不涉及具体的实现。接口是同一节点内相邻层之间交换信息的链接处,也叫服务访问点(SAP)。github
计算机网络层次模型算法
世界上第一个网络体系结构由IBM公司提出(1974年,SNA),之后其余公司也相继提出本身的网络体系结构。为了促进计算机网络的发展,国际标准化组织ISO在现有网络的基础上,提出了不基于具体机型、操做系统或公司的网络体系结构,称为开放系统互连参考模型,即OSI/RM(Open System Interconnection Reference Model)。编程
ISO制定的OSI参考模型过于庞大、复杂招致了许多批评。与此相对,美国国防部提出了TCP/IP协议栈参考模型,简化了OSI参考模型,因为TCP/IP协议栈的简单,得到了普遍的应用,并成为后续因特网使用的参考模型。浏览器
这里首先介绍OSI参考模型。OSI模型把网络通讯的工做分为7层,分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。缓存
物理层处于OSI的最底层,是整个开放系统的基础。物理层涉及通讯信道上传输的原始比特流(bits),它的功能主要是为数据端设备提供传送数据的通路以及传输数据。安全
数据链路层的主要任务是实现计算机网络中相邻节点之间的可靠传输,把原始的、有差错的物理传输线加上数据链路协议之后,构成逻辑上可靠的数据链路。须要完成的功能有链路管理、成帧、差错控制以及流量控制等。其中成帧是对物理层的原始比特流进行界定,数据链路层也可以对帧的丢失进行处理。
网络层涉及源主机节点到目的主机节点之间可靠的网络传输,它须要完成的功能主要包括路由选择、网络寻址、流量控制、拥塞控制、网络互连等。
传输层起着承上启下的做用,涉及源端节点到目的端节点之间可靠的信息传输。传输层须要解决跨越网络链接的创建和释放,对底层不可靠的网络,创建链接时须要三次握手,释放链接时须要四次挥手。
会话层的主要功能是负责应用程序之间创建、维持和中断会话,同时也提供对设备和结点之间的会话控制,协调系统和服务之间的交流,并经过提供单工、半双工和全双工3种不一样的通讯方式,使系统和服务之间有序地进行通讯。
表示层关心所传输数据信息的格式定义,其主要功能是把应用层提供的信息变换为可以共同理解的形式,提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。
应用层为OSI的最高层,是直接为应用进程提供服务的。其做用是在实现多个系统应用进程相互通讯的同时,完成一系列业务处理所需的服务。
TCP/IP,即Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写,中译名为传输控制协议/因特网互联协议,是Internet最基本的协议,Internet国际互联网络的基础。
TCP/IP协议是一个开放的网络协议簇,它的名字主要取自最重要的网络层IP协议和传输层TCP协议。TCP/IP协议定义了电子设备如何连入因特网,以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP/IP参考模型采用4层的层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成本身的需求,这4个层次分别是:网络接口层、网络层(IP层)、传输层(TCP层)、应用层。
TCP/IP协议对网络接口层没有给出具体的描述,网络接口层对应着OSI参考模型的物理层和数据链路层
网络层是整个TCP/IP协议栈的核心。它的功能是把分组发往目标网络或主机。同时,为了尽快地发送分组,可能须要沿不一样的路径同时进行分组传递。所以,分组到达的顺序和发送的顺序可能不一样,这就须要上层必须对分组进行排序。网络层除了须要完成路由的功能外,也能够完成将不一样类型的网络(异构网)互连的任务。除此以外,互联网层还须要完成拥塞控制的功能。
TCP层负责在应用进程之间创建端到端的链接和可靠通讯,它只存在与端节点中。TCP层涉及两个协议,TCP和UDP。其中,TCP协议提供面向链接的服务,提供按字节流的有序、可靠传输,能够实现链接管理、差错控制、流量控制、拥塞控制等。UDP协议提供无链接的服务,用于不须要或没法实现面向链接的网络应用中。
应用层为Internet中的各类网络应用提供服务。
如同人与人之间相互交流是须要遵循必定的规则(如语言)同样,计算机之间可以进行相互通讯是由于它们都共同遵照必定的规则,即网络协议。
OSI参考模型和TCP/IP模型在不一样的层次中有许多不一样的网络协议,如图所示:
网络协议之间的关系图以下:
IP协议的做用在于把各类数据包准备无误的传递给对方,其中两个重要的条件是IP地址和MAC地址。因为IP地址是稀有资源,不可能每一个人都拥有一个IP地址,因此咱们一般的IP地址是路由器给咱们生成的IP地址,路由器里面会记录咱们的MAC地址。而MAC地址是全球惟一的。举例,IP地址就如同是咱们居住小区的地址,而MAC地址就是咱们住的那栋楼那个房间那我的。IP地址采用的IPv4格式,目前正在向IPv6过渡。
TCP(传输控制协议)是面向链接的传输层协议。TCP层是位于IP层之上,应用层之下的中间层。不一样主机的应用层之间常常须要可靠的、像管道同样的链接,可是IP层不提供这样的流机制,而是提供不可靠的包交换。TCP协议采用字节流传输数据。
TCP报文段包括协议首部和数据两部分,协议首部的固定部分是20个字节,首部的固定部分后面是选项部分。
下面是报文段首部各个字段的含义:
TCP是面向链接的协议,所以每一个TCP链接都有3个阶段:链接创建、数据传送和链接释放。链接创建经历三个步骤,一般称为“三次握手”。
TCP三次握手过程以下:
1. 第一次握手(客户端发送请求)
客户机发送链接请求报文段到服务器,并进入SYN_SENT状态,等待服务器确认。发送链接请求报文段内容:SYN=1,seq=x;SYN=1意思是一个TCP的SYN标志位置为1的包,指明客户端打算链接的服务器的端口;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)
服务器收到客户端链接请求报文,若是赞成创建链接,向客户机发回确认报文段(ACK)应答,并为该TCP链接分配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),而且也要给该链接分配缓存和变量。此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED(TCP链接成功)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。
注意:握手过程当中传送的包里不包含数据,三次握手完毕后,客户端与服务器才正式开始传送数据。
TCP四次挥手过程以下:
因为TCP链接是全双工的,所以每一个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的链接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP链接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另外一方执行被动关闭。
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表示请求切断链接;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同样,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链接后,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为请求切断链接,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。
注意:为何链接的时候是三次握手,关闭的时候倒是四次挥手?
由于当服务端收到客户端的SYN链接请求报文后,能够直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的,SYN报文是用来同步的。可是关闭链接时,当服务端收到FIN报文时,极可能并不会当即关闭socket,因此只能先回复一个ACK报文,告诉客户端,“你发的FIN报文,我收到了”。只有等到服务端全部的报文都发送完了,我才能发送FIN报文,所以不能一块儿发送,故须要四步挥手。
UDP,用户数据报协议,它是TCP/IP协议簇中无链接的运输层协议。
UDP协议由两部分组成:首部和数据。其中,首部仅有8个字节,包括源端口和目的端口、长度(UDP用于数据报的长度)、校验和。
HTTP,超文本传输协议,它是互联网上应用最为普遍的一种网络协议。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。HTTP协议是Web浏览器和Web服务器之间通讯的标准协议。HTTP指定客户端与服务器如何创建链接、客户端如何从服务器请求数据,服务器如何响应请求,以及最后如何关闭链接。HTTP链接使用TCP/IP来传输数据。
对于从客户端到服务器的每个请求,都有4个步骤:
如今使用的HTTP协议是HTTP/1.1版本,1997年以前采用的是HTTP1.0版本。HTTP链接在1.0版本中采用非持续链接工做方式,1.1版本采用的是持续链接工做方式,持续链接是指服务器在发送响应后仍然在一段时间内保持这条由TCP运输层协议创建起来的链接,使客户端和服务器能够继续在这条链接上传输HTTP报文。
是否采用持续链接工做方式,1.0中默认是关闭的,须要在HTTP头加入“Connection:Keep-Alive”,才能启用Keep-Alive。HTTP1.1中默认启用Keep-Alive,若是加入“Connection:close”,才关闭。目前大部分浏览器都是用HTTP1.1协议,也就是说默认都会发起Keep-Alive的链接请求了,因此是否能完成一个完整的Keep-Alive链接就看服务器设置状况。
HTTP协议是基于TCP协议之上的请求/响应式协议,下面主要介绍HTTP报文的格式,HTTP报文主要有请求报文和响应报文两种。
首先看HTTP请求报文的格式:
HTTP请求报文由请求行、首部行和实体主体组成,由浏览器发送给服务器。上面这张图中SP表示空格,cr lf表示回车和换行。下图是谷歌浏览器内访问服务器查看的HTTP请求例子:
HTTP响应报文格式:
上面这张图是HTTP响应报文,它由状态行、首部行和实体主体组成。下图为HTTP响应报文例子:
在上面的HTTP请求报文例子中,咱们能够看到请求方法是GET,这表示请求读取由URL所标志的信息,除了GET,还有其余几种经常使用的方法。
在HTTP响应报文的例子中,咱们能够看到状态码是200,表示响应成功。下表是其余状态码,总共5大类,33种。
HTTPS(全称:Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer),是以安全为目标的HTTP通道,简单来讲就是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL层,HTTPS的安全基础是SSL,所以加密的详细内容就须要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代表它使用了HTTP,但HTTPS存在不一样于HTTP的默认端口及一个加密/身份验证层(在HTTP与TCP之间)。
超文本传输协议HTTP协议被用于在Web浏览器和网站服务器之间传递信息。HTTP协议以明文方式发送内容,不提供任何方式的数据加密,若是攻击者截取了Web浏览器和网站服务器之间的传输报文,就能够直接读懂其中的信息,所以HTTP协议不适合传输一些敏感信息,好比信用开号、密码等。
为了解决HTTP协议的这一缺陷,须要使用另外一种协议:安全套接字层超文本传输协议HTTPS。为了数据传输的安全,HTTPS在HTTP的基础上加入了SSL协议,SSL依靠证书来验证服务器的身份,并为浏览器和服务器之间的通讯加密。
HTTPS和HTTP的区别主要为如下四点:
网络中有一段比较容易理解的介绍:
“咱们在传输数据时,能够只使用(传输层)TCP/IP协议,可是那样的话,如 果没有应用层,便没法识别数据内容,若是想要使传输的数据有意义,则必须使用到应用层协议,应用层协议有不少,好比HTTP、FTP、TELNET等,也 能够本身定义应用层协议。WEB使用HTTP协议做应用层协议,以封装HTTP文本信息,而后使用TCP/IP作传输层协议将它发到网络上。”
Java的网络编程主要涉及到的内容是Socket编程。Socket,套接字,就是两台主机之间逻辑链接的端点。TCP/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是通讯的基石,是支持TCP/IP协议的网络通讯的基本操做单元。它是网络通讯过程当中端点的抽象表示,包含进行网络通讯必须的五种信息:链接使用的协议、本地主机的IP地址、本地进程的协议端口、远程主机的IP地址、远程进程的协议端口。
应用层经过传输层进行数据通讯时,TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP链接或多个应用程序进程可能须要经过同一个TCP协议端口传输数据。为了区别不一样的应用程序进程和链接,许多计算机操做系统为应用程序与TCP/IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层能够和传输层经过Socket接口,区分来自不一样应用程序进程或网络链接的通讯,实现数据传输的并发服务。
Socket,其实是对TCP/IP协议的封装,Socket自己并非协议,而是一个调用接口(API),经过Socket,咱们才能使用TCP/IP协议。实际上,Socket跟TCP/IP协议没有必然的关系,Socket编程接口在设计的时候,就但愿也能适应其余的网络协议。因此说,Socket的出现,只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已,是对TCP/IP协议的抽象,从而造成了咱们知道的一些最基本的函数接口,好比create、listen、accept、send、read和write等等。网络有一段关于socket和TCP/IP协议关系的说法比较容易理解:
“TCP/IP只是一个协议栈,就像操做系统的运行机制同样,必需要具体实现,同时还要提供对外的操做接口。这个就像操做系统会提供标准的编程接口,好比win32编程接口同样,TCP/IP也要提供可供程序员作网络开发所用的接口,这就是Socket编程接口。”
Socket编程主要涉及到客户端和服务端两个方面,首先是在服务器端建立一个服务器套接字(ServerSocket),并把它附加到一个端口上,服务器从这个端口监听链接。端口号的范围是0到65536,可是0到1024是为特权服务保留的端口号,咱们能够选择任意一个当前没有被其余进程使用的端口。
客户端请求与服务器进行链接的时候,根据服务器的域名或者IP地址,加上端口号,打开一个套接字。当服务器接受链接后,服务器和客户端之间的通讯就像输入输出流同样进行操做。
实例一
下面是一个客户端和服务器端进行数据交互的简单例子,客户端输入正方形的边长,服务器端接收到后计算面积并返回给客户端,经过这个例子能够初步对Socket编程有个把握。
public class SocketServer { public static void main(String[] args) throws IOException { // 端口号 int port = 7000; // 在端口上建立一个服务器套接字 ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port); // 监听来自客户端的链接 Socket socket = serverSocket.accept(); DataInputStream dis = new DataInputStream( new BufferedInputStream(socket.getInputStream())); DataOutputStream dos = new DataOutputStream( new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream())); do { double length = dis.readDouble(); System.out.println("服务器端收到的边长数据为:" + length); double result = length * length; dos.writeDouble(result); dos.flush(); } while (dis.readInt() != 0); socket.close(); serverSocket.close(); } }
public class SocketClient { public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException { int port = 7000; String host = "localhost"; // 建立一个套接字并将其链接到指定端口号 Socket socket = new Socket(host, port); DataInputStream dis = new DataInputStream( new BufferedInputStream(socket.getInputStream())); DataOutputStream dos = new DataOutputStream( new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream())); Scanner sc = new Scanner(System.in); boolean flag = false; while (!flag) { System.out.println("请输入正方形的边长:"); double length = sc.nextDouble(); dos.writeDouble(length); dos.flush(); double area = dis.readDouble(); System.out.println("服务器返回的计算面积为:" + area); while (true) { System.out.println("继续计算?(Y/N)"); String str = sc.next(); if (str.equalsIgnoreCase("N")) { dos.writeInt(0); dos.flush(); flag = true; break; } else if (str.equalsIgnoreCase("Y")) { dos.writeInt(1); dos.flush(); break; } } } socket.close(); } }
实例二
能够看到上面的服务器端程序和客户端程序是一对一的关系,为了能让一个服务器端程序能同时为多个客户提供服务,可使用多线程机制,每一个客户端的请求都由一个独立的线程进行处理。下面是改写后的服务器端程序。
public class SocketServerM { public static void main(String[] args) throws IOException { int port = 7000; int clientNo = 1; ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port); // 建立线程池 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool(); try { while (true) { Socket socket = serverSocket.accept(); exec.execute(new SingleServer(socket, clientNo)); clientNo++; } } finally { serverSocket.close(); } } } class SingleServer implements Runnable { private Socket socket; private int clientNo; public SingleServer(Socket socket, int clientNo) { this.socket = socket; this.clientNo = clientNo; } @Override public void run() { try { DataInputStream dis = new DataInputStream( new BufferedInputStream(socket.getInputStream())); DataOutputStream dos = new DataOutputStream( new BufferedOutputStream(socket.getOutputStream())); do { double length = dis.readDouble(); System.out.println("从客户端" + clientNo + "接收到的边长数据为:" + length); double result = length * length; dos.writeDouble(result); dos.flush(); } while (dis.readInt() != 0); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } finally { System.out.println("与客户端" + clientNo + "通讯结束"); try { socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } }
上面改进后的服务器端代码能够支持不断地并发响应网络中的客户请求。关键的地方在于多线程机制的运用,同时利用线程池能够改善服务器程序的性能。
【github地址】
https://github.com/SwordfallYeung/JavaNETDemo.git
【参考资料】
https://www.cnblogs.com/iOS-mt/p/4264675.html
https://www.cnblogs.com/xuan52rock/p/9454696.html
https://www.cnblogs.com/midiyu/p/7875574.html
https://www.cnblogs.com/dongguacai/p/5747397.html
https://blog.csdn.net/dosthing/article/details/83046052
https://blog.csdn.net/xuedan1992/article/details/80958522