网络编程

网络编程概述

Java是 Internet 上的语言，它从语言级上提供了对网络应用程序的支持，程序员能够很容易开发常见的网络应用程序。

Java提供的网络类库，可以实现无痛的网络连接，联网的底层细节被隐藏在 Java 的本机安装系统里，由 JVM 进行控制。并且 Java 实现了一个跨平台的网络库，程序员面对的是一个统一的网络编程环境。

软件架构

• C/S架构 ：全称为Client/Server结构，是指客户端和服务器结构。常见程序有QQ、美团app、360安全卫士等软件。

• B/S架构 ：全称为Browser/Server结构，是指浏览器和服务器结构。常见浏览器有IE、谷歌、火狐等。

两种架构各有优势，但是无论哪种架构，都离不开网络的支持。网络编程，就是在一定的协议下，实现两台计算机的通信的程序。

网络基础

• 计算机网络：
  把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息、共享硬件、软件、数据信息等资源。
• **网络编程的目的：**直接或间接地通过网络协议与其它计算机实现数据交换，进行通讯。
• 网络编程中有三个主要的问题：
  • 问题1：如何准确地定位网络上一台或多台主机
  • 问题2：如何定位主机上的特定的应用
  • 问题3：找到主机后，如何可靠、高效地进行数据传输

网络通信三要素

IP地址和域名

• IPv4：是一个32位的二进制数，通常被分为4个字节，表示成a.b.c.d 的形式，以点分十进制表示，例如192.168.65.100` 。其中a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数。

• IPv6：由于互联网的蓬勃发展，IP地址的需求量愈来愈大，但是网络地址资源有限，使得IP的分配越发紧张。

• 公网地址( 万维网使用）和 私有地址( 局域网使用）。192.168.开头的就是私有地址，范围即为192.168.0.0–192.168.255.255，专门为组织机构内部使用。

特殊的IP地址：

• 本地回环地址(hostAddress)：127.0.0.1
• 主机名(hostName)：localhost

域名解析：因为IP地址数字不便于记忆，因此出现了域名。域名容易记忆，当在连接网络时输入一个主机的域名后，域名服务器(DNS，Domain Name System，域名系统)负责将域名转化成IP地址，这样才能和主机建立连接。

端口号

网络的通信，本质上是两个进程（应用程序）的通信。每台计算机都有很多的进程，那么在网络通信时，如何区分这些进程呢？

如果说IP地址可以唯一标识网络中的设备，那么端口号就可以唯一标识设备中的进程（应用程序）。

不同的进程，设置不同的端口号。

• 端口号：用两个字节表示的整数，它的取值范围是0~65535。
  • 公认端口：0~1023。被预先定义的服务通信占用，如：HTTP（80），FTP（21），Telnet（23）
  • 注册端口：1024~49151。分配给用户进程或应用程序。如：Tomcat（8080），MySQL（3306），Oracle（1521）。
  • 动态/ 私有端口：49152~65535。

网络通信协议

通过计算机网络可以使多台计算机实现连接，位于同一个网络中的计算机在进行连接和通信时需要遵守一定的规则，这就好比在道路中行驶的汽车一定要遵守交通规则一样。

• 网络通信协议：在计算机网络中，这些连接和通信的规则被称为网络通信协议，它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤、出错控制等做了统一规定，通信双方必须同时遵守才能完成数据交换。

• 这里有两套参考模型

  • OSI参考模型：模型过于理想化，未能在因特网上进行广泛推广
  • TCP/IP参考模型(或TCP/IP协议)：事实上的国际标准。

  

上图中，OSI参考模型：模型过于理想化，未能在因特网上进行广泛推广。 TCP/IP参考模型(或TCP/IP协议)：事实上的国际标准。

• TCP/IP协议： 传输控制协议/因特网互联协议( Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，TCP/IP 以其两个主要协议：传输控制协议(TCP)和网络互联协议(IP)而得名，实际上是一组协议，包括多个具有不同功能且互为关联的协议。是Internet最基本、最广泛的协议。

TCP/IP协议中的四层介绍：

• 应用层：应用层决定了向用户提供应用服务时通信的活动。主要协议有：HTTP协议、FTP协议、SNMP（简单网络管理协议）、SMTP（简单邮件传输协议）和POP3（Post Office Protocol 3的简称,即邮局协议的第3个版）等。

• 传输层：主要使网络程序进行通信，在进行网络通信时，可以采用TCP协议，也可以采用UDP协议。TCP（Transmission Control Protocol）协议，即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)：是一个无连接的传输层协议、提供面向事务的简单不可靠的信息传送服务。

• 网络层：网络层是整个TCP/IP协议的核心，支持网间互连的数据通信。它主要用于将传输的数据进行分组，将分组数据发送到目标计算机或者网络。而IP协议是一种非常重要的协议。IP（internet protocal）又称为互联网协议。IP的责任就是把数据从源传送到目的地。它在源地址和目的地址之间传送一种称之为数据包的东西，它还提供对数据大小的重新组装功能，以适应不同网络对包大小的要求。

• 物理+数据链路层：链路层是用于定义物理传输通道，通常是对某些网络连接设备的驱动协议，例如针对光纤、网线提供的驱动。

TCP与UDP协议

java.net 包中包含的类和接口，它们提供低层次的通信细节。我们可以直接使用这些类和接口，来专注于网络程序开发，而不用考虑通信的细节。

java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持：

• UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)。
• TCP：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)。

TCP协议与UDP协议

TCP协议：

• TCP协议进行通信的两个应用进程：客户端、服务端。
• 使用TCP协议前，须先建立TCP连接，形成基于字节流的传输数据通道
• 传输前，采用“三次握手”方式，点对点通信，是可靠的
  • TCP协议使用重发机制，当一个通信实体发送一个消息给另一个通信实体后，需要收到另一个通信实体确认信息，如果没有收到另一个通信实体确认信息，则会再次重复刚才发送的消息。
• 在连接中可进行大数据量的传输
• 传输完毕，需释放已建立的连接，效率低

UDP协议：

• UDP协议进行通信的两个应用进程：发送端、接收端。
• 将数据、源、目的封装成数据包（传输的基本单位），不需要建立连接
• 发送不管对方是否准备好，接收方收到也不确认，不能保证数据的完整性，故是不可靠的
• 每个数据报的大小限制在64K内
• 发送数据结束时无需释放资源，开销小，通信效率高
• 适用场景：音频、视频和普通数据的传输。例如视频会议

TCP生活案例：打电话

UDP生活案例：发送短信、发电报

三次握手

TCP协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可靠。

• 第一次握手，客户端向服务器端发起TCP连接的请求
• 第二次握手，服务器端发送针对客户端TCP连接请求的确认
• 第三次握手，客户端发送确认的确认

完成三次握手，连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性，TCP协议可以保证传输数据的安全，所以应用十分广泛，例如下载文件、浏览网页等。

四次挥手

TCP协议中，在发送数据结束后，释放连接时需要经过四次挥手。

• 第一次挥手：客户端向服务器端提出结束连接，让服务器做最后的准备工作。此时，客户端处于半关闭状态，即表示不再向服务器发送数据了，但是还可以接受数据。
• 第二次挥手：服务器接收到客户端释放连接的请求后，会将最后的数据发给客户端。并告知上层的应用进程不再接收数据。
• 第三次挥手：服务器发送完数据后，会给客户端发送一个释放连接的报文。那么客户端接收后就知道可以正式释放连接了。
• 第四次挥手：客户端接收到服务器最后的释放连接报文后，要回复一个彻底断开的报文。这样服务器收到后才会彻底释放连接。这里客户端，发送完最后的报文后，会等待2MSL，因为有可能服务器没有收到最后的报文，那么服务器迟迟没收到，就会再次给客户端发送释放连接的报文，此时客户端在等待时间范围内接收到，会重新发送最后的报文，并重新计时。如果等待2MSL后，没有收到，那么彻底断开。

网络编程API

InetAddress类

InetAddress类主要表示IP地址，两个子类：Inet4Address、Inet6Address。

InetAddress 类没有提供公共的构造器，而是提供 了 如下几个 静态方法来获取InetAddress 实例

• public static InetAddress getLocalHost()
• public static InetAddress getByName(String host)
• public static InetAddress getByAddress(byte[] addr)

InetAddress 提供了如下几个常用的方法

• public String getHostAddress() ：返回 IP 地址字符串（以文本表现形式）
• public String getHostName() ：获取此 IP 地址的主机名
• public boolean isReachable(int timeout)：测试是否可以达到该地址

package Test.InetTest;

import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;

public class InetAddressTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        try {
            //实例化
            InetAddress inet1 = InetAddress.getByName("192.168.23.31");
            System.out.println(inet1);///192.168.23.31

            InetAddress inet2 = InetAddress.getByName("www.atguigu.com");
            System.out.println(inet2);//www.atguigu.com/111.48.166.144

            InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();
            System.out.println(localHost);//DESKTOP-C1FM3E6/192.168.10.38

            System.out.println(inet1.getHostName());//192.168.23.31
            System.out.println(inet1.getHostAddress());//192.168.23.31
            System.out.println(inet2.getHostName());//www.atguigu.com
            System.out.println(inet2.getHostAddress());//111.48.166.144
            System.out.println(localHost.getHostName());//DESKTOP-C1FM3E6
            System.out.println(localHost.getHostAddress());//192.168.10.38
        }
        catch (UnknownHostException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Socket类

• 网络上具有唯一标识的IP地址和端口号组合在一起构成唯一能识别的标识符套接字（Socket）。

• 利用套接字(Socket)开发网络应用程序早已被广泛的采用，以至于成为事实上的标准。网络通信其实就是Socket间的通信。

• 通信的两端都要有Socket，是两台机器间通信的端点。

• Socket允许程序把网络连接当成一个流，数据在两个Socket间通过IO传输。

• 一般主动发起通信的应用程序属客户端，等待通信请求的为服务端。

• Socket分类：

  • 流套接字（stream socket）：使用TCP提供可依赖的字节流服务
    • ServerSocket：此类实现TCP服务器套接字。服务器套接字等待请求通过网络传入。
    • Socket：此类实现客户端套接字（也可以就叫“套接字”）。套接字是两台机器间通信的端点。
  • 数据报套接字（datagram socket）：使用UDP提供“尽力而为”的数据报服务
    • DatagramSocket：此类表示用来发送和接收UDP数据报包的套接字。

ServerSocket类

ServerSocket类的构造方法：

• ServerSocket(int port) ：创建绑定到特定端口的服务器套接字。

ServerSocket类的常用方法：

• Socket accept()：侦听并接受到此套接字的连接。

Socket类

Socket类的常用构造方法：

• public Socket(InetAddress address,int port)：创建一个流套接字并将其连接到指定 IP 地址的指定端口号。
• public Socket(String host,int port)：创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号。

Socket类的常用方法：

• public InputStream getInputStream()：返回此套接字的输入流，可以用于接收消息
• public OutputStream getOutputStream()：返回此套接字的输出流，可以用于发送消息
• public InetAddress getInetAddress()：此套接字连接到的远程 IP 地址；如果套接字是未连接的，则返回 null。
• public InetAddress getLocalAddress()：获取套接字绑定的本地地址。
• public int getPort()：此套接字连接到的远程端口号；如果尚未连接套接字，则返回 0。
• public int getLocalPort()：返回此套接字绑定到的本地端口。如果尚未绑定套接字，则返回 -1。
• public void close()：关闭此套接字。套接字被关闭后，便不可在以后的网络连接中使用（即无法重新连接或重新绑定）。需要创建新的套接字对象。 关闭此套接字也将会关闭该套接字的 InputStream 和 OutputStream。
• public void shutdownInput()：如果在套接字上调用 shutdownInput() 后从套接字输入流读取内容，则流将返回 EOF（文件结束符）。 即不能在从此套接字的输入流中接收任何数据。
• public void shutdownOutput()：禁用此套接字的输出流。对于 TCP 套接字，任何以前写入的数据都将被发送，并且后跟 TCP 的正常连接终止序列。 如果在套接字上调用 shutdownOutput() 后写入套接字输出流，则该流将抛出 IOException。 即不能通过此套接字的输出流发送任何数据。

**注意：**先后调用Socket的shutdownInput()和shutdownOutput()方法，仅仅关闭了输入流和输出流，并不等于调用Socket的close()方法。在通信结束后，仍然要调用Scoket的close()方法，因为只有该方法才会释放Socket占用的资源，比如占用的本地端口号等。

DatagramSocket类

DatagramSocket 类的常用方法：

• public DatagramSocket(int port)创建数据报套接字并将其绑定到本地主机上的指定端口。套接字将被绑定到通配符地址，IP 地址由内核来选择。
• public DatagramSocket(int port,InetAddress laddr)创建数据报套接字，将其绑定到指定的本地地址。本地端口必须在 0 到 65535 之间（包括两者）。如果 IP 地址为 0.0.0.0，套接字将被绑定到通配符地址，IP 地址由内核选择。
• public void close()关闭此数据报套接字。
• public void send(DatagramPacket p)从此套接字发送数据报包。DatagramPacket 包含的信息指示：将要发送的数据、其长度、远程主机的 IP 地址和远程主机的端口号。
• public void receive(DatagramPacket p)从此套接字接收数据报包。当此方法返回时，DatagramPacket 的缓冲区填充了接收的数据。数据报包也包含发送方的 IP 地址和发送方机器上的端口号。 此方法在接收到数据报前一直阻塞。数据报包对象的 length 字段包含所接收信息的长度。如果信息比包的长度长，该信息将被截短。
• public InetAddress getLocalAddress()获取套接字绑定的本地地址。
• public int getLocalPort()返回此套接字绑定的本地主机上的端口号。
• public InetAddress getInetAddress()返回此套接字连接的地址。如果套接字未连接，则返回 null。
• public int getPort()返回此套接字的端口。如果套接字未连接，则返回 -1。

DatagramPacket类

DatagramPacket类的常用方法：

• public DatagramPacket(byte[] buf,int length)构造 DatagramPacket，用来接收长度为 length 的数据包。 length 参数必须小于等于 buf.length。
• public DatagramPacket(byte[] buf,int length,InetAddress address,int port)构造数据报包，用来将长度为 length 的包发送到指定主机上的指定端口号。length 参数必须小于等于 buf.length。
• public InetAddress getAddress()返回某台机器的 IP 地址，此数据报将要发往该机器或者是从该机器接收到的。
• public int getPort()返回某台远程主机的端口号，此数据报将要发往该主机或者是从该主机接收到的。
• public byte[] getData()返回数据缓冲区。接收到的或将要发送的数据从缓冲区中的偏移量 offset 处开始，持续 length 长度。
• public int getLength()返回将要发送或接收到的数据的长度。

TCP网络编程

通信模型

Java语言的基于套接字TCP编程分为服务端编程和客户端编程，其通信模型如图所示：

开发步骤

客户端程序包含以下四个基本的步骤 ：

• 创建 Socket ：根据指定服务端的 IP 地址或端口号构造 Socket 类对象。若服务器端响应，则建立客户端到服务器的通信线路。若连接失败，会出现异常。
• 打开连接到 Socket 的输入/ 出流： 使用 getInputStream()方法获得输入流，使用getOutputStream()方法获得输出流，进行数据传输
• 按照一定的协议对 Socket 进行读/ 写操作：通过输入流读取服务器放入线路的信息（但不能读取自己放入线路的信息），通过输出流将信息写入线路。
• 关闭 Socket ：断开客户端到服务器的连接，释放线路

服务器端程序包含以下四个基本的 步骤：

• 调用 ServerSocket(int port) ：创建一个服务器端套接字，并绑定到指定端口上。用于监听客户端的请求。
• 调用 accept() ：监听连接请求，如果客户端请求连接，则接受连接，返回通信套接字对象。
• 调用 该Socket 类对象的 getOutputStream() 和 getInputStream () ：获取输出流和输入流，开始网络数据的发送和接收。
• 关闭Socket 对象：客户端访问结束，关闭通信套接字。

UDP网络编程

通信模型

类 DatagramSocket 和 DatagramPacket 实现了基于 UDP 协议网络程序。

UDP数据报通过数据报套接字 DatagramSocket 发送和接收，系统不保证 UDP数据报一定能够安全送到目的地，也不能确定什么时候可以抵达。

DatagramPacket 对象封装了UDP数据报，在数据报中包含了发送端的IP地址和端口号以及接收端的IP地址和端口号。

UDP协议中每个数据报都给出了完整的地址信息，因此无须建立发送方和接收方的连接。如同发快递包裹一样。

开发步骤

发送端程序包含以下四个基本的步骤：

• 创建DatagramSocket ：默认使用系统随机分配端口号。
• 创建DatagramPacket：将要发送的数据用字节数组表示，并指定要发送的数据长度，接收方的IP地址和端口号。
• 调用 该DatagramSocket 类对象的 send方法 ：发送数据报DatagramPacket对象。
• 关闭DatagramSocket 对象：发送端程序结束，关闭通信套接字。

接收端程序包含以下四个基本的步骤 ：

• 创建DatagramSocket ：指定监听的端口号。
• 创建DatagramPacket：指定接收数据用的字节数组，起到临时数据缓冲区的效果，并指定最大可以接收的数据长度。
• 调用 该DatagramSocket 类对象的receive方法 ：接收数据报DatagramPacket对象。。
• 关闭DatagramSocket ：接收端程序结束，关闭通信套接字。

URL编程

URL类

• URL(Uniform Resource Locator)：统一资源定位符，它表示 Internet 上某一资源的地址。
• 通过 URL 我们可以访问 Internet 上的各种网络资源，比如最常见的 www，ftp 站点。浏览器通过解析给定的 URL 可以在网络上查找相应的文件或其他资源。
• URL的基本结构由5部分组成：

<传输协议>://<主机名>:<端口号>/<文件名>#片段名?参数列表

• 例如: http://192.168.1.100:8080/helloworld/index.jsp#a?username=shkstart&password=123

  • 片段名：即锚点，例如看小说，直接定位到章节
  • 参数列表格式：参数名=参数值&参数名=参数值…

• 为了表示URL，java.net 中实现了类 URL。我们可以通过下面的构造器来初始化一个 URL 对象：

  • public URL (String spec)：通过一个表示URL地址的字符串可以构造一个URL对象。例如：

    URL url = new URL("http://www. atguigu.com/"); 
    

  • public URL(URL context, String spec)：通过基 URL 和相对 URL 构造一个 URL 对象。例如：

    URL downloadUrl = new URL(url, “download.html")
    

    public URL(String protocol, String host, String file); 例如：

    URL url = new URL("http", "www.atguigu.com", “download. html");
    

  • public URL(String protocol, String host, int port, String file); 例如:

    URL gamelan = new URL("http", "www.atguigu.com", 80, “download.html");
    

• URL类的构造器都声明抛出非运行时异常，必须要对这一异常进行处理，通常是用 try-catch 语句进行捕获。

URL类常用方法

一个URL对象生成后，其属性是不能被改变的，但可以通过它给定的方法来获取这些属性：

• public String getProtocol( ) 获取该URL的协议名
• public String getHost( ) 获取该URL的主机名
• public String getPort( ) 获取该URL的端口号
• public String getPath( ) 获取该URL的文件路径
• public String getFile( ) 获取该URL的文件名
• public String getQuery( ) 获取该URL的查询名

URL url = new URL("http://localhost:8080/examples/myTest.txt");
System.out.println("getProtocol() :"+url.getProtocol());
System.out.println("getHost() :"+url.getHost());
System.out.println("getPort() :"+url.getPort());
System.out.println("getPath() :"+url.getPath());
System.out.println("getFile() :"+url.getFile());
System.out.println("getQuery() :"+url.getQuery());

针对HTTP协议的URLConnection类

• URL的方法 openStream()：能从网络上读取数据
• 若希望输出数据，例如向服务器端的 CGI （公共网关接口-Common Gateway Interface-的简称，是用户浏览器和服务器端的应用程序进行连接的接口）程序发送一些数据，则必须先与URL建立连接，然后才能对其进行读写，此时需要使用 URLConnection 。
• URLConnection：表示到URL所引用的远程对象的连接。当与一个URL建立连接时，首先要在一个 URL 对象上通过方法 openConnection() 生成对应的 URLConnection 对象。如果连接过程失败，将产生IOException.
  • URL netchinaren = new URL (“http://www.atguigu.com/index.shtml”);
  • URLConnectonn u = netchinaren.openConnection( );
• 通过URLConnection对象获取的输入流和输出流，即可以与现有的CGI程序进行交互。
  • public Object getContent( ) throws IOException
  • public int getContentLength( )
  • public String getContentType( )
  • public long getDate( )
  • public long getLastModified( )
  • public InputStream getInputStream ( ) throws IOException
  • public OutputSteram getOutputStream( )throws IOException

小结

• 位于网络中的计算机具有唯一的IP地址，这样不同的主机可以互相区分。
• 客户端－服务器是一种最常见的网络应用程序模型。服务器是一个为其客户端提供某种特定服务的硬件或软件。客户机是一个用户应用程序，用于访问某台服务器提供的服务。端口号是对一个服务的访问场所，它用于区分同一物理计算机上的多个服务。套接字用于连接客户端和服务器，客户端和服务器之间的每个通信会话使用一个不同的套接字。TCP协议用于实现面向连接的会话。
• Java 中有关网络方面的功能都定义在 java.net 程序包中。Java 用 InetAddress 对象表示 IP 地址，该对象里有两个字段：主机名(String) 和 IP 地址(int)。
• 类 Socket 和 ServerSocket 实现了基于TCP协议的客户端－服务器程序。Socket是客户端和服务器之间的一个连接，连接创建的细节被隐藏了。这个连接提供了一个安全的数据传输通道，这是因为 TCP 协议可以解决数据在传送过程中的丢失、损坏、重复、乱序以及网络拥挤等问题，它保证数据可靠的传送。
  提供某种特定服务的硬件或软件。客户机是一个用户应用程序，用于访问某台服务器提供的服务。端口号是对一个服务的访问场所，它用于区分同一物理计算机上的多个服务。套接字用于连接客户端和服务器，客户端和服务器之间的每个通信会话使用一个不同的套接字。TCP协议用于实现面向连接的会话。
• Java 中有关网络方面的功能都定义在 java.net 程序包中。Java 用 InetAddress 对象表示 IP 地址，该对象里有两个字段：主机名(String) 和 IP 地址(int)。
• 类 Socket 和 ServerSocket 实现了基于TCP协议的客户端－服务器程序。Socket是客户端和服务器之间的一个连接，连接创建的细节被隐藏了。这个连接提供了一个安全的数据传输通道，这是因为 TCP 协议可以解决数据在传送过程中的丢失、损坏、重复、乱序以及网络拥挤等问题，它保证数据可靠的传送。
• 类 URL 和 URLConnection 提供了最高级网络应用。URL 的网络资源的位置来同一表示 Internet 上各种网络资源。通过URL对象可以创建当前应用程序和 URL 表示的网络资源之间的连接，这样当前程序就可以读取网络资源数据，或者把自己的数据传送到网络上去。