網路編程-Java中的Internet查詢

標籤：set   因此   http協議   anon   感知   機制   數字   dock   版本   

前提

在深入理解URL、URI等概念，或者學些Socket相關的知識之，有必要系統理解一下Internet相關的一些基礎知識。

Internet地址

串連到Internet(網際網路)的裝置稱為節點(node)，而任意一個電腦節點稱為主機(host)。每個節點或者主機都由至少一個唯一的數來標識，這稱為Internet地址或者IP地址。

IP和網域名稱

如果使用Java作為開發語言的話，不需要擔心IP或者網域名稱的工作原理，但是我們需要理解IP定址的一些基礎知識。我們目前常用的網路都是IPv4網路，每個電腦節點都是由一個4位元組(32bit)的數位識別碼，這個數位識別碼的格式是點分四段(dotted quad，形式是:xxx.xxx.xx.xx)，其中的每個數字都是一個無符號位元組，取值範圍是0到255。當資料通過網路傳輸的時候，資料包的首部中要包括要發往的機器地址(目的地址)和發送這個資料包的機器地址(源地址)。

可以使用的IPv4類型的IP地址總量大概是40億多一點，因此無法做到地球上每個人都分配一個唯一的IPv4的IP地址，所以IPv6就誕生了，目前網路由IPv4向IPv6過度(不過這個過度過程相對緩慢，因素很多)。IPv6網路中的IP地址使用16位元組(128bit)的數位識別碼。IPv6地址的表示形式通常是以英文冒號分隔的8個地區，每個地區都是4個十六進位的數字，舉個例子：FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210就是一個合法的IPV6地址。而在IPv4和IPv6的混合網路中，IPv6地址的最後四個位元組有時候表示形式為IPv4地址的點分四段地址。IPv6地址只在Jdk1.4以及之後的版本支援，換言之，Jdk1.3或者之前的版本只能使用IPv4地址。

雖然電腦可以輕鬆地處理數字，但是人腦的記憶對於數字並不敏感，因此開發了網域名稱系統(Domain Name System，也就是DNS)，用於將人腦易於記憶的主機名稱(如www.baidu.com)轉換為數字Internet地址(如183.232.231.173)。這裡不展開DNS的具體內容，作為開發人員，我們可以簡單理解為它就是一個巨型分散式資料庫，用於映射主機名稱(網域名稱)和IP地址，畫個圖大致如下：

連接埠

因為每台電腦都不是只做一件事，相當於電腦做的每一種商務邏輯需要從邏輯上隔離，例如FTP請求的處理要和電子郵件的處理分離，FTP請求處理也要和Web業務處理分離，所以每種商務邏輯的處理需要使用一個邏輯分離的標識，這個標識就是連接埠(port)。一般每台電腦有成千上萬個邏輯連接埠(確切來說，每個傳輸層協議都有65535個連接埠，Windows系統中，1~1023號連接埠是系統連接埠，使用者無法修改，1024~65534連接埠是系統為使用者預留的連接埠，而65535號連接埠為系統保留連接埠)，每個連接埠可以分配給一個特定的服務。例如Web的底層協議Http協議通訊一般使用80連接埠，使用瀏覽器URL訪問伺服器的80連接埠可以省略URL中的連接埠號碼。

Java對網路的抽象InetAddress

單詞InetAddress是Internet Address的縮寫合并，代表網際網路地址。java.net.InetAddress類是Java對IP地址(包括IPv4和IPv6地址)的高度抽象表示。大多數網路編程相關的類都會用到InetAddress，如Socket、ServerSocket等，InetAddress兩個最核心的屬性是主機名稱(host)和IP地址，對應屬性hostName和address。

建立InetAddress執行個體

建立InetAddress執行個體主要依賴它的Factory 方法(實際上InetAddress的建構函式是包私人的，也就是無法通過new關鍵字建立執行個體)，比較常用的一個靜態Factory 方法是：

static InetAddress getByName(String host) throws UnknownHostException

其中參數可以為主機名稱(網域名稱)或者點分四段地址，前者相當於通過主機名稱尋找一個可串連的IP地址，後者相當於通過IP地址反查主機名稱，值得注意的是，這個方法調用的使用會建立與本地DNS伺服器的串連進行主機名稱或者數字地址尋找，如果DNS伺服器找不到主機或者地址，會拋出UnknownHostException異常。

    public static void main(String[] args) throws Exception{        InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("www.baidu.com");        System.out.println(inetAddress);    }

InetAddress覆寫了toString方法，返回結果是hostName/address格式，上面的main方法執行的一個可能的結果是：

www.baidu.com/14.215.177.39

有些時候，我們知道數字IP地址，就可以由數字地址直接建立一個InetAddress執行個體，這樣就可以不必使用getByName(String host)方法和DNS互動。

static InetAddress getByAddress(byte[] addr)throws UnknownHostExceptionstatic InetAddress getByAddress(String host,byte[] addr)throws UnknownHostException

這兩個方法可以建立主機名稱不存在或者主機名稱無法解析的InetAddress執行個體。舉個例子：

    public static void main(String[] args) throws Exception {        byte[] bytes = {14, (byte) 215, (byte) 177, 39};        InetAddress inetAddress = InetAddress.getByAddress("www.doge.com",bytes);        System.out.println(inetAddress);    }

實際上，網域名稱www.doge.com並不存在，但是這個方法並不會拋出異常。

如果要查詢一個主機名稱的所有IP地址，可以使用：

static InetAddress[] getAllByName(String host) throws UnknownHostException

如果需要查詢原生主機名稱和IP地址，可以使用：

static InetAddress getLocalHost() throws UnknownHostException

注意這個方法會嘗試串連DNS去查詢本機電腦的真正的主機名稱和IP地址，如果查詢失敗，它就會返回傳回位址，也就是主機名稱是"localhost"，IP地址是點分四段地址"127.0.0.1"。

InetAddress緩衝

DNS尋找的開銷可能相當大(如果請求需要經過多個中間伺服器或者嘗試解析一個不可達的主機，可能需要耗費幾秒的時間)，所以InetAddress會緩衝DNS查詢結果，也就是一旦得到一個給定主機的地址，就不會再次尋找，即使為同一個主機建立多個InetAddress執行個體，也不會再次進行DNS查詢。這樣的緩衝機制對於效能來說是有好處的，但是也會帶來負面影響：

• 程式運行期間串連的主機的IP地址很大可能會發生變化，已緩衝的IP有可能不可用。
• 剛開始嘗試解析一個主機時候是失敗的，但是隨後嘗試解析的時候會成功，但是緩衝了首次解析失敗的記錄。
• 遠程DNS伺服器發送的資訊還在傳輸，第一次嘗試逾時，下一次請求即可成功。

因此，Java對於不成功的DNS查詢結果僅僅緩衝10秒，而且可以通過下面兩個系統變數控制緩衝的時間：

• networkaddress.cache.ttl：成功的DNS查詢結果的緩衝時間(秒數)，-1表示不會逾時。
• networkaddress.cache.negative.ttl：成功的DNS查詢結果的緩衝時間(秒數)，-1表示不會逾時。

InetAddress提供的基本屬性擷取方法

InetAddress提供四個基本屬性擷取方法，用於擷取當前InetAddress表示的主機名稱和IP地址。

public String getHostName();public String getCanonicalHostName();public byte[] getAddress();public String getHostAddress();

注意上面的幾個方法只有Getter，沒有Setter方法，說明這幾個屬性的設定許可權是java.net包中的類庫。

• getHostName：返回當前InetAddress執行個體的主機名稱，如果對應的機器沒有主機名稱或者安全管理器阻止確定主機名稱，則會返回點分四段數字IP地址。
• getCanonicalHostName：getCanonicalHostName與getHostName，不過getHostName方法只是在不知道主機名稱的情況下才串連DNS進行查詢，getCanonicalHostName方法總是串連DNS查詢主機名稱並且替換緩衝值，所以這個方法調用會比較耗時。
• getAddress：返回當前InetAddress執行個體的數字IP地址的byte數組，注意因為Java中沒有無符號的byte，因此負數byte值要+256變成int類型才是無符號的byte值。
• getHostAddress：實際上就返回getAddress方法中的byte數群組轉換成的IP地址點分四段表示形式的字串，也就是IP地址字串。

上面的getAddress()方法還有一個特殊的判斷使用情境，就是它的傳回值byte數組的長度如果是4，那麼InetAddress一定是Inet4Address的執行個體，如果長度為16，那麼那麼InetAddress一定是Inet6Address的執行個體，由此可以判斷InetAddress中的IP地址到底是IPv4還是IPv6。

InetAddress提供的地址類型判斷方法

有些IP地址和地址模式有特殊的含義，例如127.0.0.1是本地傳回位址，244.0.0.0到239.255.255.255範圍內的IPv4地址是組播地址。InetAddress中提供10個公有執行個體方法來判斷InetAddress對象是否符合這些地址模式：

• 1、boolean isAnyLocalAddress()：如果地址是通配地址則返回true，所謂通配地址就是可以匹配本地系統中的任何地址，在IPv4中的通配地址是0.0.0.0，在IPv6中的通配地址是0:0:0:0:0:0:0:0(::)。
• 2、boolean isLoopbackAddress()：如果地址是傳回位址則返回true，在IPv4中的傳回位址是127.0.0.1，在IPv6中的傳回位址是0:0:0:0:0:0:0:1(::1)。
• 3、boolean isLinkLocalAddress()：如果地址是一個IPv6本地連結地址則返回true。
• 4、boolean isSiteLocalAddress()：如果地址是一個IPv6以磁碟為基礎的網站地址則返回true。
• 5、boolean isMulticastAddress()：如果地址是一個組播地址則返回true。
• 6、boolean isMCGlobal()：如果地址是一個全球組播地址則返回true。
• 7、boolean isMCOrgLocal()：如果地址是一個組織範圍組播地址則返回true。
• 8、boolean isMCSiteLocal()：如果地址是一個網站範圍組播地址則返回true。
• 9、boolean isMCLinkLocal()：如果地址是一個子網範圍組播地址則返回true。
• 10、boolean isMCNodeLocal()：如果地址是一個本地介面組播地址則返回true。

實際上，我們很少用到這十個方法。

InetAddress的可達性測試

InetAddress提供兩個isReaachable()方法用於測試可達性。其實就是測試一個特定的節點對當前主機是否可達(兩者是否能夠建立一個網路連接)。因為網路連接有可能因為多種原因阻塞，列舉一些原因如下：

• 防火牆攔截。
• Proxy 伺服器攔截。
• 不能正常服務的路由器。
• 斷開的網路線纜。
• 嘗試串連的遠端電腦沒有開機。

public boolean isReachable(int timeout) throws IOExceptionpublic boolean isReachable(NetworkInterface netif, int ttl, int timeout) throws IOException

這兩個方法會嘗試使用Traceroute查看指定地址是否可達。Traceroute程式使用ICMP報文和IP首部中的TTL欄位(一般為64)。TTL欄位的目的是防止資料報在選路時候無休止的在網路中流動(當路由故障的時候，可能在兩個路由迴圈)。可以理解TTL欄位用於控制串連被丟棄之前的網路最大跳數。第一個方法isReachable(int timeout)只有一個參數控制檢測可達性的逾時毫秒數，第二個方法可以控制指定本地的網路介面、TTL參數和逾時時間進行可達性測試。

    public static void main(String[] args) throws Exception{        InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("www.baidu.com");        System.out.println(inetAddress.isReachable(2000));    }

比較不同的InetAddress

InetAddress中覆蓋了equals和hashCode方法，比較的時候，實際上比較的是address屬性，也就是IP地址，換言之，只要兩個InetAddress的IP地址一致，這兩個InetAddress對象就是相等的，並不要求兩個InetAddress對象的主機名稱一致。舉個例子：

    public static void main(String[] args) throws Exception {        while (true){            Thread.sleep(500);            InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("www.baidu.com");            InetAddress other = InetAddress.getByName("14.215.177.39");            System.out.println(inetAddress.equals(other));        }    }

上面的main方法執行之後，基本上列印true，取決於DNS的處理。

Inet4Address和Inet6Address

Inet4Address和Inet6Address兩個類都繼承自InetAddress，它們分別是IPv4和IPv6的IP地址的高度抽象表示。但是，一般情況下，開發人員使無須感知使用或者串連的IP地址到底是IPv4和IPv6的IP地址，因為通常我們都是通過主機名稱(host)去訪問。

本網介面

NetworkInterface是本網介面，實際上它可以表示一個物理介面，如乙太網路卡，它也可以表示一個虛擬介面，與機器的其他IP地址綁定到同一個物理硬體，最常見的就是現在的虛擬化容器如Docker提供的網卡。NetworkInterface類提供的一些方法可以枚舉所有的本地地址，通過這些本地地址建立的InetAddress對象，建立出來的這些InetAddress對象就可以使用在用戶端Socket或者服務端Socket。

NetworkInterface的建立方法

static NetworkInterface getByName(String name) throws SocketException 

getByName(String name)方法可以指定網路介面名字擷取對應的網路介面執行個體NetworkInterface，如果沒有這樣名字的網路介面則返回null。網路介面的名字格式和平台相關，例如典型的Unix系統上，乙太網路介面名字的形式為eth0、eth1等等，在Windows系統中名字類似於"CE31"、"ELX100"等字串，"lo"一般是本地傳回位址的網路介面名字。

另外，可以通過InetAddress返回指定IP綁定的網路介面(或者說返回的網路介面處理指定的IP地址)，如果本地主機沒有網路介面和傳入的IP地址綁定則返回null，如果發生錯誤則拋出一個SocketException。

static NetworkInterface getByInetAddress(InetAddress addr) throws SocketException 

最後，可以使用下面的方法枚舉本地主機上的所有網路介面。

static Enumeration<NetworkInterface> getNetworkInterfaces() throws SocketException

筆者用的是Windows10系統，嘗試枚舉一下所有的網路介面：

    public static void main(String[] args) throws Exception{        Enumeration<NetworkInterface> networkInterfaces = NetworkInterface.getNetworkInterfaces();        while (networkInterfaces.hasMoreElements()){            NetworkInterface networkInterface = networkInterfaces.nextElement();            System.out.println(networkInterface);        }    }

執行結果部分如下：

name:lo (Software Loopback Interface 1)name:ppp0 (WAN Miniport (PPPOE))name:net0 (Microsoft ISATAP Adapter #2)name:net1 (Microsoft ISATAP Adapter)name:net2 (WAN Miniport (L2TP))name:net3 (WAN Miniport (IKEv2))...

NetworkInterface提供的屬性擷取方法

NetworkInterface提供一個執行個體方法public Enumeration<InetAddress> getInetAddresses()用於擷取綁定在一個網路介面上面的所有IP地址，雖然這種情況不常見，但是確實存在。

執行個體方法public String getName()返回NetworkInterface執行個體的對象名稱，例如eth0、lo等。

執行個體方法public String getDsiplayName()也是返回NetworkInterface執行個體的對象名稱，不過表示的形式更加友好，例如"Ethernet Card 0"(eth0)，但是在Unix系統中和getName()相同。

小結

只有理解網路編程中的一些基礎概念，才能鋪好學習URI(URL)、TCP協議、HTTP協議和通訊端(Socket)的路。

(本文完 c-2-d)

網路編程-Java中的Internet查詢