Node.js 网络编程基础

章节概述

网络编程是后端开发的重要组成部分，Node.js 提供了强大的网络编程能力。本集将介绍 Node.js 中的网络编程基础，包括 net 模块的使用、TCP 服务器的创建和 UDP 通信的实现，帮助你掌握网络应用开发的核心技术。

核心知识点讲解

1. net 模块概述

net 模块是 Node.js 的内置模块，用于创建 TCP 服务器和 TCP 客户端。它提供了以下核心功能：

创建 TCP 服务器
创建 TCP 客户端
处理网络连接
数据传输

使用 net 模块前，需要先引入：

const net = require('net');

2. TCP 服务器

TCP（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在 Node.js 中，可以使用 net.createServer() 方法创建 TCP 服务器。

2.1 创建 TCP 服务器

// 创建 TCP 服务器
const server = net.createServer((socket) => {
  console.log('客户端已连接');
  
  // 处理客户端发送的数据
  socket.on('data', (data) => {
    console.log(`接收到客户端数据: ${data.toString()}`);
    
    // 向客户端发送数据
    socket.write(`服务器已收到: ${data.toString()}`);
  });
  
  // 处理客户端断开连接
  socket.on('end', () => {
    console.log('客户端已断开连接');
  });
  
  // 处理错误
  socket.on('error', (err) => {
    console.error('连接错误:', err);
  });
});

// 启动服务器，监听指定端口
server.listen(3000, 'localhost', () => {
  console.log('服务器已启动，监听端口 3000');
});

// 处理服务器错误
server.on('error', (err) => {
  console.error('服务器错误:', err);
});

2.2 TCP 服务器事件

TCP 服务器支持以下主要事件：

listening：服务器开始监听连接时触发
connection：新客户端连接时触发
error：服务器发生错误时触发
close：服务器关闭时触发

3. TCP 客户端

在 Node.js 中，可以使用 net.createConnection() 方法创建 TCP 客户端，用于连接到 TCP 服务器。

3.1 创建 TCP 客户端

// 创建 TCP 客户端
const client = net.createConnection({ port: 3000, host: 'localhost' }, () => {
  console.log('已连接到服务器');
  
  // 向服务器发送数据
  client.write('Hello, Server!');
});

// 处理服务器发送的数据
client.on('data', (data) => {
  console.log(`接收到服务器数据: ${data.toString()}`);
  
  // 可以选择关闭连接
  // client.end();
});

// 处理连接断开
client.on('end', () => {
  console.log('已断开与服务器的连接');
});

// 处理错误
client.on('error', (err) => {
  console.error('连接错误:', err);
});

3.2 TCP 客户端事件

TCP 客户端支持以下主要事件：

connect：成功连接到服务器时触发
data：接收到服务器数据时触发
end：服务器关闭连接时触发
error：发生错误时触发
close：连接关闭时触发

4. UDP 通信

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的传输层协议，提供了简单的、不可靠的数据包传输服务。在 Node.js 中，可以使用 dgram 模块创建 UDP 套接字。

4.1 创建 UDP 服务器

const dgram = require('dgram');

// 创建 UDP 套接字
const server = dgram.createSocket('udp4');

// 处理接收到的消息
server.on('message', (msg, rinfo) => {
  console.log(`接收到来自 ${rinfo.address}:${rinfo.port} 的消息: ${msg.toString()}`);
  
  // 向客户端发送响应
  const response = `服务器已收到: ${msg.toString()}`;
  server.send(response, rinfo.port, rinfo.address, (err) => {
    if (err) {
      console.error('发送响应失败:', err);
    } else {
      console.log('响应已发送');
    }
  });
});

// 处理错误
server.on('error', (err) => {
  console.error('服务器错误:', err);
  server.close();
});

// 处理监听事件
server.on('listening', () => {
  const address = server.address();
  console.log(`服务器已启动，监听 ${address.address}:${address.port}`);
});

// 启动服务器，监听指定端口
server.bind(4000, 'localhost');

4.2 创建 UDP 客户端

const dgram = require('dgram');

// 创建 UDP 套接字
const client = dgram.createSocket('udp4');

// 要发送的消息
const message = Buffer.from('Hello, UDP Server!');

// 发送消息到服务器
client.send(message, 4000, 'localhost', (err) => {
  if (err) {
    console.error('发送消息失败:', err);
    client.close();
  } else {
    console.log('消息已发送');
  }
});

// 处理接收到的消息
client.on('message', (msg, rinfo) => {
  console.log(`接收到来自 ${rinfo.address}:${rinfo.port} 的响应: ${msg.toString()}`);
  client.close();
});

// 处理错误
client.on('error', (err) => {
  console.error('客户端错误:', err);
  client.close();
});

4.3 UDP 与 TCP 的区别

特性	TCP	UDP
连接	面向连接	无连接
可靠性	可靠，确保数据按序到达	不可靠，可能丢包或乱序
传输速度	相对较慢	相对较快
数据边界	无边界，流式传输	有边界，数据包传输
适用场景	Web 浏览、邮件、文件传输	视频通话、在线游戏、实时数据传输

实用案例分析

案例：实现聊天服务器

下面我们将实现一个简单的聊天服务器，支持多个客户端连接和消息广播。

const net = require('net');

// 存储所有连接的客户端
const clients = [];

// 创建聊天服务器
const server = net.createServer((socket) => {
  // 为客户端生成唯一标识
  const clientId = `客户端${clients.length + 1}`;
  console.log(`${clientId} 已连接`);
  
  // 将客户端添加到客户端列表
  clients.push({ id: clientId, socket });
  
  // 向所有客户端广播新用户加入
  broadcast(`${clientId} 加入了聊天室`, socket);
  
  // 向新客户端发送欢迎消息
  socket.write(`欢迎来到聊天室，${clientId}！\n`);
  socket.write(`当前在线用户: ${clients.map(c => c.id).join(', ')}\n`);
  
  // 处理客户端发送的消息
  socket.on('data', (data) => {
    const message = data.toString().trim();
    console.log(`${clientId}: ${message}`);
    
    // 向所有客户端广播消息
    broadcast(`${clientId}: ${message}`, socket);
  });
  
  // 处理客户端断开连接
  socket.on('end', () => {
    console.log(`${clientId} 已断开连接`);
    
    // 从客户端列表中移除
    const index = clients.findIndex(c => c.id === clientId);
    if (index !== -1) {
      clients.splice(index, 1);
    }
    
    // 向所有客户端广播用户离开
    broadcast(`${clientId} 离开了聊天室`);
  });
  
  // 处理错误
  socket.on('error', (err) => {
    console.error(`${clientId} 错误:`, err);
  });
});

// 广播消息给所有客户端
function broadcast(message, excludeSocket = null) {
  clients.forEach(client => {
    if (client.socket !== excludeSocket) {
      client.socket.write(`${message}\n`);
    }
  });
}

// 启动服务器，监听指定端口
server.listen(3000, 'localhost', () => {
  console.log('聊天服务器已启动，监听端口 3000');
  console.log('可以使用 telnet localhost 3000 连接到服务器');
});

// 处理服务器错误
server.on('error', (err) => {
  console.error('服务器错误:', err);
});

代码解析：

我们创建了一个 TCP 服务器，用于处理客户端连接
使用 clients 数组存储所有连接的客户端
为每个新连接的客户端生成唯一标识 clientId
实现了 broadcast 函数，用于向所有客户端广播消息
处理客户端发送的消息，将其广播给所有其他客户端
处理客户端加入和离开的事件，向所有客户端广播相关消息
启动服务器，监听端口 3000

测试方法：

启动聊天服务器
打开多个终端窗口，使用 telnet localhost 3000 命令连接到服务器
在任意终端窗口输入消息，观察其他终端窗口是否收到消息
关闭任意终端窗口，观察其他终端窗口是否收到用户离开的消息

案例：UDP 聊天服务器

下面我们将实现一个基于 UDP 的聊天服务器，展示 UDP 通信的特点。

const dgram = require('dgram');

// 存储所有客户端信息
const clients = [];

// 创建 UDP 服务器
const server = dgram.createSocket('udp4');

// 处理接收到的消息
server.on('message', (msg, rinfo) => {
  const message = msg.toString().trim();
  const clientKey = `${rinfo.address}:${rinfo.port}`;
  
  // 检查客户端是否已存在
  let client = clients.find(c => c.key === clientKey);
  if (!client) {
    // 新客户端
    client = {
      key: clientKey,
      address: rinfo.address,
      port: rinfo.port,
      id: `用户${clients.length + 1}`
    };
    clients.push(client);
    console.log(`${client.id} 已加入`);
    
    // 向新客户端发送欢迎消息
    const welcomeMsg = `欢迎来到 UDP 聊天室，${client.id}！`;
    server.send(welcomeMsg, client.port, client.address);
    
    // 向所有客户端广播新用户加入
    broadcast(`${client.id} 加入了聊天室`, clientKey);
  }
  
  // 处理客户端消息
  if (message) {
    console.log(`${client.id}: ${message}`);
    
    // 向所有客户端广播消息
    broadcast(`${client.id}: ${message}`, clientKey);
  }
});

// 广播消息给所有客户端
function broadcast(message, excludeKey = null) {
  clients.forEach(client => {
    if (client.key !== excludeKey) {
      server.send(message, client.port, client.address);
    }
  });
}

// 处理服务器错误
server.on('error', (err) => {
  console.error('服务器错误:', err);
  server.close();
});

// 处理监听事件
server.on('listening', () => {
  const address = server.address();
  console.log(`UDP 聊天服务器已启动，监听 ${address.address}:${address.port}`);
});

// 启动服务器，监听指定端口
server.bind(4000, 'localhost');

代码解析：

我们创建了一个 UDP 服务器，用于处理客户端消息
使用 clients 数组存储所有客户端信息
以客户端的 IP 地址和端口作为唯一标识
实现了 broadcast 函数，用于向所有客户端广播消息
处理客户端发送的消息，将其广播给所有其他客户端
处理新客户端加入的事件，向所有客户端广播相关消息
启动服务器，监听端口 4000

网络编程最佳实践

错误处理：总是处理网络操作中的错误，避免服务器崩溃
资源管理：及时关闭不再使用的连接，避免资源泄漏
超时设置：为网络操作设置合理的超时时间，避免无限等待
数据验证：验证接收到的数据，防止恶意输入
流量控制：实现适当的流量控制，避免服务器过载
安全考虑：
- 使用 TLS/SSL 加密敏感数据
- 实现适当的认证机制
- 防止 DDoS 攻击
性能优化：
- 使用连接池管理数据库连接
- 实现缓存机制
- 优化数据传输格式和大小
日志记录：记录网络操作的关键事件和错误，便于调试和监控

学习目标

通过本集的学习，你应该能够：

理解 net 模块的核心功能
掌握 TCP 服务器的创建和管理
掌握 TCP 客户端的创建和使用
理解 UDP 通信的特点和应用场景
实现简单的聊天服务器
了解网络编程的最佳实践

小结

Node.js 提供了强大的网络编程能力，通过 net 模块和 dgram 模块，可以轻松实现 TCP 和 UDP 通信。本集介绍了 TCP 服务器和客户端的创建、UDP 通信的实现，以及基于这些技术的聊天服务器案例。

网络编程是后端开发的重要组成部分，掌握这些基础知识将为你开发各种网络应用打下坚实的基础。在实际应用中，你可能会使用更高级的框架和库（如 Express、Socket.io 等），但理解底层的网络编程原理仍然非常重要。

在下一集中，我们将学习 Node.js WebSocket 通信，了解如何实现实时双向通信。