Android网络编程基础之Socket基础

计算机网络分层

OSI七层网络模型(从下往上)：

OSI网络参考模型分为七层，从下往上分别为：

• 物理层(Physical)：设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。可以理解为网络传输的物理媒体部分，比如网卡，网线，集线器，中继器，调制解调器等！ 在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，这一层的单位是:比特(bit)
• 数据链路层(Datalink)：可以理解为数据通道，主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行 数据的可靠传递，改层作用包括：物理地址寻址，数据的成帧，流量控制，数据检错以及重发等！ 另外这个数据链路指的是：物理层要为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接。媒体是长期的，连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信。 每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程！这种建立起来的数据收发关系~ 该层的设备有：网卡，网桥，网路交换机，另外该层的单位为：帧
• 网络层(Network)：主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发 送方路由到接收方，所谓的路由与寻径：一台终端可能需要与多台终端通信，这样就产生的了 把任意两台终端设备数据链接起来的问题！简单点说就是：建立网络连接和为上层提供服务！ 该层的设备有：路由！该层的单位为：数据包，另外IP协议就在这一层！
• 传输层(Transport)：向上面的应用层提供通信服务，面向通信部分的最高层，同时也是 用户功能中的最低层。接收会话层数据，在必要时将数据进行分割，并将这些数据交给网络 层，并且保证这些数据段有效的到达对端！所以这层的单位是：数据段；而这层有两个很重要 的协议就是：TCP传输控制协议与UDP用户数据报协议，这也是本章节核心讲解的部分！
• 会话层(Session)：负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。建立通信链接， 保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时 决定从何处重新发送，即不同机器上的用户之间会话的建立及管理！
• 表示层(Presentation)：对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传送给会话层。其主要功能是"处理用户信息的表示问题，如编码、 数据格式转换和加密解密，压缩解压缩"等
• 应用层(Application)：OSI参考模型的最高层，为用户的应用程序提供网络服务。 它在其他6层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外，该层还负责协调各个应用程序间的工作。应用层为用户提供的服务和协议有：文件服务、目录服务、文件传输服务（FTP）、远程登录服务（Telnet）、电子邮件服务（E-mail）、打印服务、安全服务、网络管理服务、数据库服务等。

TCP/IP协议簇四层模型

TCP/IP协议簇是Internet的基础，也是当今最流行的组网形式。TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型，传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型，其中每一层执行某一特定任务，该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。而TCP/IP协议簇分为四层，IP位于协议簇的第二层(对应OSI的第三层)，TCP位于协议簇的第三层 (对应OSI的第四层)。TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：

• 应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、 网络远程访问协议（Telnet）等。
• 传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、 用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中， 这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。
• 网络互连层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。
• 主机到网络层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络 （如Ethernet、Serial Line等）来传送数据。

OSI七层网络模型TCP/IP协议簇四层模型的对比

总结

• 应用层协议是应用开发者实现的
• TCP/IP协议栈实现的是传输层和网络层，是在操作系统中实现的
• TCP/IP协议栈并没有实现数据链路层和物理层，这部分不属于TCP/IP协议栈要实现的内容
• 数据链路层和物理层的协议实现是在网卡中实现的，然后提供接口API(网卡驱动)供上层调用，比如我们在cmd命令中可以看到网卡的MAC地址信息，是因为操作系统通过网卡驱动程序的其中一个接口调用来获取网卡的信息的。
• 网卡是硬件，属于数据链路层，操作系统实现了网络层和传输层协议，操作系统的网络层和网卡如何交互？通过网卡驱动

IP地址&端口号

通过IP地址定位到计算机网络中的一台计算机，通过端口号定位到这台计算机中的程序。

IP地址

端口号

端口号规定为16位，即允许一个IP主机有2的16次方65535个不同的端口。其中：

• 0~1023：分配给系统的端口号

  我们不可以乱用
  常用协议使用的端口：HTTP:80，FTP：21，TELNET：23

• 1024~49151：登记端口号，主要是让第三方应用使用

  但是必须在IANA（互联网数字分配机构）按照规定手续登记，

• 49152~65535：短暂端口号，是留给客户进程选择暂时使用，一个进程使用完就可以供其他进程使用。

在Socket使用时，可以用1024~65535的端口号

C/S结构

• 定义：即客户端/服务器结构，是软件系统体系结构

• 作用：充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销。

  Socket正是使用这种结构建立连接的，一个套接字接客户端，一个套接字接服务器。

如图：

可以看出，Socket的使用可以基于TCP或者UDP协议。

TCP&UDP

TCP

• 定义：Transmission Control Protocol，即传输控制协议，是一种传输层通信协议

  基于TCP的应用层协议有FTP、Telnet、SMTP、HTTP、POP3与DNS。

• 特点：面向连接、面向字节流、全双工通信、可靠

  • 面向连接：指的是要使用TCP传输数据，必须先建立TCP连接，传输完成后释放连接，就像打电话一样必须先拨号建立一条连接，打完后挂机释放连接。
  • 全双工通信：即一旦建立了TCP连接，通信双方可以在任何时候都能发送数据。
  • 可靠的：指的是通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，并且按序到达。
  • 面向字节流：流，指的是流入到进程或从进程流出的字符序列。简单来说，虽然有时候要传输的数据流太大，TCP报文长度有限制，不能一次传输完，要把它分为好几个数据块，但是由于可靠性保证，接收方可以按顺序接收数据块然后重新组成分块之前的数据流，所以TCP看起来就像直接互相传输字节流一样，面向字节流。

• TCP建立连接
  必须进行三次握手：若A要与B进行连接，则必须

  • 第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN位置为1，Sequence Number为x；然后，客户端进入SYN_SEND状态，等待服务器的确认。即A发送信息给B
  • 第二次握手：服务器收到客户端的SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认。即B收到连接信息后向A返回（SYN+ACK）确认信息
  • 第三次握手：客户端收到服务器的（SYN+ACK）报文段，并向服务器发送ACK报文段。即A收到确认信息后再次向B返回确认连接信息

  此时，A告诉自己上层连接建立；B收到连接信息后告诉上层连接建立。

这样就完成TCP三次握手 = 一条TCP连接建立完成 = 可以开始发送数据

1. 三次握手期间任何一次未收到对面回复都要重发。
2. 最后一个确认报文段发送完毕以后，客户端和服务器端都进入ESTABLISHED状态。

为什么TCP建立连接需要三次握手？

答：防止服务器端因为接收了早已失效的连接请求报文从而一直等待客户端请求，从而浪费资源

• “已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：Client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。
• 这是一个早已失效的报文段。但Server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是Client再次发出的一个新的连接请求。
• 于是就向Client发出确认报文段，同意建立连接。
• 假设不采用“三次握手”：只要Server发出确认，新的连接就建立了。
• 由于现在Client并没有发出建立连接的请求，因此不会向Server发送数据。
• 但Server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待Client发来数据。这样，Server的资源就白白浪费掉了。

以上答案只是表象，没有说到本质上去

那么本质是 因为tcp是全双工，为保证传输的可靠性，需要给每次传输的数据段添加序号，那么初始的序列号就是tcp三次握手真正的意义所在，而为了确保交换双方的初始序号，最少需要三次才行

采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生：

• Client不会向Server的确认发出确认

• Server由于收不到确认，就知道Client并没有要求建立连接

• 所以Server不会等待Client发送数据，资源就没有被浪费

• TCP释放连接
  TCP释放连接需要四次挥手过程，现在假设A主动释放连接：（数据传输结束后，通信的双方都可主动释放连接）

  • 第一次挥手：A发送释放信息到B；（发出去之后，A->B发送数据这条路径就断了）

  • 第二次挥手：B收到A的释放信息之后，回复确认释放的信息：我同意你的释放连接请求

  • 第三次挥手：B发送“请求释放连接“信息给A

  • 第四次挥手：A收到B发送的信息后向B发送确认释放信息：我同意你的释放连接请求

    B收到确认信息后就会正式关闭连接； A等待2MSL后依然没有收到回复，则证明B端已正常关闭，于是A关闭连接

为什么TCP释放连接需要四次挥手？

为了保证双方都能通知对方“需要释放连接”，即在释放连接后都无法接收或发送消息给对方

• 需要明确的是：TCP是全双工模式，这意味着是双向都可以发送、接收的

• 释放连接的定义是：双方都无法接收或发送消息给对方，是双向的

• 当主机1发出“释放连接请求”（FIN报文段）时，只是表示主机1已经没有数据要发送 / 数据已经全部发送完毕；

  但是，这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据。

• 当主机2返回“确认释放连接”信息（ACK报文段）时，表示它已经知道主机1没有数据发送了
  但此时主机2还是可以发送数据给主机1

• 当主机2也发送了FIN报文段时，即告诉主机1我也没有数据要发送了
  此时，主机1和2已经无法进行通信：主机1无法发送数据给主机2，主机2也无法发送数据给主机1，此时，TCP的连接才算释放

三次握手&四次挥手面试题总结

1. 三次握手是什么或者流程？四次握手呢？答案前面分析就是。

2. 为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

   这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

UDP

• 定义：User Datagram Protocol，即用户数据报协议，是一种传输层通信协议。

  基于UDP的应用层协议有TFTP、SNMP与DNS。

• 特点：无连接的、不可靠的、面向报文、没有拥塞控制

  • 无连接的：和TCP要建立连接不同，UDP传输数据不需要建立连接，就像写信，在信封写上收信人名称、地址就可以交给邮局发送了，至于能不能送到，就要看邮局的送信能力和送信过程的困难程度了。
  • 不可靠的：因为UDP发出去的数据包发出去就不管了，不管它会不会到达，所以很可能会出现丢包现象，使传输的数据出错。
  • 面向报文：数据报文，就相当于一个数据包，应用层交给UDP多大的数据包，UDP就照样发送，不会像TCP那样拆分。
  • 没有拥塞控制：拥塞，是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象，就像交通堵塞一样。TCP建立连接后如果发送的数据因为信道质量的原因不能到达目的地，它会不断重发，有可能导致越来越塞，所以需要一个复杂的原理来控制拥塞。而UDP就没有这个烦恼，发出去就不管了。

• 应用场景：适合可以丢失一些数据但要求延迟尽量低的场景。
  很多的实时应用（如IP电话、实时视频会议、某些多人同时在线游戏等）要求源主机以恒定的速率发送数据，并且允许在网络发生拥塞时候丢失一些数据，但是要求不能有太大的延时，UDP就刚好适合这种要求。

Java中对于网络提供的几个关键类

针对不同的网络通信层次，Java给我们提供的网络功能有四大类：

• InetAddress： 用于标识网络上的计算机资源，是对IP和域名的封装
• URL： 统一资源定位符，通过URL可以直接读取或者写入网络上的数据
• Socket和ServerSocket： 使用TCP协议实现网络通信的Socket相关的类
• DatagramSocket： 使用UDP协议，将数据保存在数据报中，通过网络进行通信

Socket

什么是Socket？

• 即套接字，是一个对 TCP / IP协议进行抽象封装 的编程调用接口（API）
  用来描述IP地址和端口，是通信链的句柄，应用程序可以通过Socket向网络发送请求或者应答网络请求！Socket是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元，是对网络通信过程中端点的抽象表示，包含了进行网络通信所必须的五种信息：
  1. 连接所使用的的协议
  2. 本地主机的IP地址
  3. 本地远程的协议端口
  4. 远程主机的IP地址
  5. 远地进程的协议端口

1. 即通过Socket，我们才能在Andorid平台上基于 TCP/IP协议进行开发
2. Socket不是一种协议，而是一个编程调用接口（API），属于传输层（主要解决数据如何在网络中传输）
3. Socket成对出现，是一对套接字，客户端有Socket，服务端也有Socket

• Socket本身并没有实现TCP / IP协议，TCP / IP协议是在操作系统层实现的，Socket是操作系统提供给应用程序的一个API接口，是一个把传输层的功能提供给应用层调用的API接口。

Socket通信模型

一个简单的Socket通信过程会创建3个Socket对象：

• 客户端一个Socket对象
• 服务端一个ServerSocket对象
• 服务端的ServerSocket对象监听到客户端的连接后会新建一个Socket对象

Socket通信步骤

• Step 1：创建ServerSocket和Socket
• Step 2：打开连接到的Socket的输入/输出流
• Step 3：按照协议对Socket进行读/写操作
• Step 4：关闭输入输出流，以及Socket

Socket服务端的编写

• Step 1：创建ServerSocket对象，绑定监听的端口
• Step 2：调用accept()方法监听客户端的请求
• Step 3：连接建立后，通过输入流读取客户端发送的请求信息
• Step 4：通过输出流向客户端发送响应信息
• Step 5：关闭相关资源

 public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.创建一个服务器端Socket，即ServerSocket，指定绑定的端口，并监听此端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(12345);
        InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();
        String ip = address.getHostAddress();
        Socket socket = null;
        //2.调用accept()等待客户端连接
        System.out.println("~~~服务端已就绪，等待客户端接入~，服务端ip地址: " + ip);
        socket = serverSocket.accept();
        //3.连接后获取输入流，读取客户端信息
        InputStream is=null;
        InputStreamReader isr=null;
        BufferedReader br=null;
        OutputStream os=null;
        PrintWriter pw=null;
        is = socket.getInputStream();     //获取输入流
        isr = new InputStreamReader(is,"UTF-8");
        br = new BufferedReader(isr);
        String info = null;
        while((info=br.readLine())!=null){//循环读取客户端的信息
            System.out.println("客户端发送过来的信息" + info);
        }
        socket.shutdownInput();//关闭输入流
        socket.close();
    }
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Socket客户端的编写

• Step 1：创建Socket对象，指明需要链接的服务器的地址和端号
• Step 2：链接建立后，通过输出流向服务器发送请求信息
• Step 3：通过输出流获取服务器响应的信息
• Step 4：关闭相关资源

public static void main(String ... args) throws Exception{
        //1.创建客户端Socket，指定服务器地址和端口
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 12345);
        //2.获取输出流，向服务器端发送信息
        OutputStream os = socket.getOutputStream();//字节输出流
        PrintWriter pw = new PrintWriter(os);//将输出流包装为打印流
        //获取客户端的IP地址
        InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();
        String ip = address.getHostAddress();
        pw.write("客户端：~" + ip + "~ 接入服务器！！");
        pw.flush();
        socket.shutdownOutput();//关闭输出流
        socket.close();
    }
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UDP的Socket通信

UDP通信编程并没有Socket，使用的是DatagramSocket。

服务端：

/**
 * 简单的UDP通信的服务端
 */
public class UdpService {

    public static void main(String... args) throws IOException {

        // 创建DatagramSocket，监听指定的端口
        DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(12307);

        byte[] bytes = new byte[1024];
        //UDP与TCP的Socket接收数据略有区别，需要创建一个DatagramPacket消息数据报对象，用于接收消息
        DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        //receive()方法进行阻塞等待读取消息
        datagramSocket.receive(datagramPacket);

        System.out.println("接收到的数据： " + new String(datagramPacket.getData()));


    }


}
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客户端：

/**
 * 简单的UDP通信的服务端
 */
public class UdpService {

    public static void main(String... args) throws IOException {

        // 创建DatagramSocket，监听指定的端口
        // 因为UDP是无连接的，所以只要监听指定的端口的数据就可以了，
        // 不需要像TCP那样监听到客户端连接到指定端口后需要分配一个Socket连接
        DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket(12307);

        byte[] bytes = new byte[1024];
        //UDP与TCP的Socket接收数据略有区别，需要创建一个DatagramPacket消息数据报对象，用于接收消息
        DatagramPacket datagramPacket = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        //接收数据，receive()方法进行阻塞等待读取消息
        datagramSocket.receive(datagramPacket);

        System.out.println("接收到的数据： " + new String(datagramPacket.getData()));


    }


}
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