Java网络编程：从基础到高级，掌握网络通信技术

# 1. Java网络编程基础**

Java网络编程是Java语言中用于开发网络应用程序的工具和技术。它允许Java程序通过网络与其他计算机进行通信。本章将介绍Java网络编程的基础知识，包括：

* TCP/IP协议栈：了解网络通信的基础协议，包括IP地址、端口号和传输协议。
* Java网络编程模型：探索Java中用于网络编程的两种主要模型：阻塞式I/O和非阻塞式I/O。
* Java网络编程API：介绍Java中用于网络编程的核心API，包括Socket、ServerSocket和InetAddress类。

# 2. Java网络编程核心技术

### 2.1 Java网络编程架构

#### 2.1.1 TCP/IP协议栈

Java网络编程基于TCP/IP协议栈，该协议栈由一系列层级协议组成，每一层负责特定功能。TCP/IP协议栈的模型如下：

graph LR
subgraph TCP/IP协议栈
    A[应用层]
    B[传输层]
    C[网络层]
    D[数据链路层]
    E[物理层]
end

**应用层**：提供应用程序与网络之间的接口，负责数据格式化和传输。
**传输层**：负责端到端的数据传输，提供可靠（TCP）和不可靠（UDP）的数据传输服务。
**网络层**：负责路由数据包，确定数据包的最佳传输路径。
**数据链路层**：负责在物理介质上传输数据，提供错误检测和纠正功能。
**物理层**：负责将数据比特转换为物理信号，并在物理介质上传输。

#### 2.1.2 Java网络编程模型

Java网络编程采用客户端-服务器模型，其中客户端发起连接请求，服务器接受连接请求并提供服务。

**客户端**：负责向服务器发送请求并接收响应。
**服务器**：负责监听客户端的连接请求，并为客户端提供服务。

### 2.2 Java网络编程API

Java提供了丰富的网络编程API，其中最常用的类包括：

#### 2.2.1 Socket类

Socket类表示网络连接的端点，它提供以下方法：

// 创建一个套接字
Socket socket = new Socket(host, port);

// 获取输入流
InputStream inputStream = socket.getInputStream();

// 获取输出流
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();

// 关闭套接字
socket.close();

#### 2.2.2 ServerSocket类

ServerSocket类表示服务器端点，它提供以下方法：

// 创建一个服务器套接字
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);

// 接受客户端连接请求
Socket clientSocket = serverSocket.accept();

// 关闭服务器套接字
serverSocket.close();

#### 2.2.3 InetAddress类

InetAddress类表示IP地址，它提供以下方法：

// 获取本地主机IP地址
InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();

// 获取指定主机的IP地址
InetAddress host = InetAddress.getByName("www.example.com");

// 获取IP地址字符串
String ipAddress = host.getHostAddress();

### 2.3 Java网络编程常见问题

#### 2.3.1 连接异常

在Java网络编程中，可能会遇到各种连接异常，包括：

| 异常 | 描述 |
|---|---|
| SocketException | 套接字创建或连接失败 |
| ConnectException | 无法连接到远程主机 |
| NoRouteToHostException | 找不到到远程主机的路由 |
| TimeoutException | 连接超时 |

#### 2.3.2 数据传输异常

在数据传输过程中，可能会遇到各种异常，包括：

| 异常 | 描述 |
|---|---|
| IOException | 输入/输出操作失败 |
| EOFException | 达到文件或流的末尾 |
| InterruptedException | 线程被中断 |

# 3. Java网络编程实践

### 3.1 Java网络编程入门示例

#### 3.1.1 客户端-服务器通信

客户端-服务器通信是Java网络编程中最常见的应用场景。客户端主动发起连接请求，服务器端被动接收连接请求并提供服务。

**代码示例：**

// 客户端代码
import java.net.*;
import java.io.*;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建Socket对象，指定服务器端IP地址和端口号
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
            // 获取输出流，向服务器端发送数据
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            os.write("Hello from client!".getBytes());
            // 获取输入流，接收服务器端返回的数据
            InputStream is = socket.getInputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = is.read(buffer);
            String response = new String(buffer, 0, len);
            System.out.println("Received from server: " + response);
            // 关闭连接
            socket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 服务器端代码
import java.net.*;
import java.io.*;

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建ServerSocket对象，指定端口号
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
            // 等待客户端连接
            Socket socket = serverSocket.accept();
            // 获取输入流，接收客户端发送的数据
            InputStream is = socket.getInputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = is.read(buffer);
            String request = new String(buffer, 0, len);
            System.out.println("Received from client: " + request);
            // 获取输出流，向客户端发送数据
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            os.write("Hello from server!".getBytes());
            // 关闭连接
            socket.close();
            serverSocket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

**逻辑分析：**

* 客户端代码：创建Socket对象，向服务器端发送数据，接收服务器端返回的数据。
* 服务器端代码：创建ServerSocket对象，等待客户端连接，接收客户端发送的数据，向客户端发送数据。

#### 3.1.2 文件传输

文件传输是Java网络编程的另一个常见应用场景。客户端将文件发送给服务器端，服务器端接收文件并保存到本地。

**代码示例：**

// 客户端代码
import java.net.*;
import java.io.*;

public class FileClient {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建Socket对象，指定服务器端IP地址和端口号
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
            // 获取文件输入流
            FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
            // 获取输出流，向服务器端发送文件
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = fis.read(buffer)) != -1) {
                os.write(buffer, 0, len);
            }
            // 关闭连接
            socket.close();
            fis.close();