第二十一章 网络通信
21.1 网络程序设计基础
网络程序设计编写的是与其他计算机进行通信的程序。
局域网与互联网
服务器是指提供信息的计算机或程序，客户机是指请求信息的计算机或程序。网络用于连接服务器与客户机，实现两者间的相互通信。
网络协议
网络协议规定了计算机之间连接的物理、机械(网线与网卡的连接规定)、电气(有效的电平范围)等特征，计算机之间的相互寻址规则，数据发送冲突的解决方式，长数据如何分段传送与接收等内容。
1、IP协议
IP 是Internet Protocol 的简称，是一种网络协议。Intemet 网络采用的协议是TCP/IP 协议，其全称是Transmission Control Protocol/Inteet Protocol。
TCP/IP 模式是一种层次结构，共分为 4 层，分别为应用层、传输层、互联网层和网络层。各层实现特定的功能，提供特定的服务和访问接口，并具有相对的独立性，如图 21.2 所示。
2、TCP与UDP协议
在 TCP/IP 协议栈中，有两个高级协议，即传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP) 与用户数据报协议 (User Datagram Protocol，UDP)。
TCP 协议是一种以固接连线为基础的协议，它提供两台计算机间可靠的数据传送。UDP 协议适合于一些对数据准确性要求不高，但对传输速度和时效性要求非常高的网站，如网络聊天室、在线影片等。
端口与套接字
一般而言，一台计算机只有单一的连到网络的物理连接 (Physical Connection)，所有的数据都通过此连接对内、对外送达特定的计算机，这就是端口（port）。假如一台计算机提供了 HTTP、FTP 等多种服务，那么客户机会通过不同的端口来确定连接到服务器的哪项服务上，如图 21.3 所示。
网络程序中的套接字(Socket) 用于将应用程序与端口连接起来。套接字是一个假想的连接装置就像插座一样可连接电器与电线，如图 21.4 所示。Java 将套接字抽象化为类，程序设计者只需创建 Socke类对象，即可使用套接字。
21.2 TCP程序
TCP 网络程序设计是指利用 Socke 类编写通信程序。利用IP 协议进行通信的两个应用程序是有主次之分的，二个称为服务器程序，另一个称为客户机程序，两者的功能和编写方法大不一样。服务器端与客户端的交互过程如图 21.5 所示。
InetAddress类
java.net 包中的 InetAddress 类是与 IP 地址相关的类,利用该类可以获取 IP 地址、主机地址等信息InetAddress 类的常用方法如表 21.1 所示。
例： 使用InetAddress 类的 getHostName()和 getHostAddress()方法获得本地主机的本机名、本机IP 地址。
package 二十一章;
import java.net.InetAddress; //导入java.net包
import java.net.UnknownHostException;
public class Address {//创建类
public static void main(String[] args){
InetAddress ip;//创建 InetAddress对象
try {//捕捉可能出现的异常
ip = InetAddress.getLocalHost();//实例化对象
String LocaIname = ip.getHostName();//获取本机名
String Localip = ip.getHostAddress();//获取本机IP地址
System.out.println("本机名："+LocaIname);//将本机名输出
System.out.println("本机IP地址："+Localip);//将本机IP地址输出
}catch(UnknownHostException e){
e.printStackTrace();//输出异常信息
}
}
}
运行结果：
ServerSocket类
java.net 包中的 ServerSocket 类用于表示服务器套接字，其主要功能是等待来自网络上的“请求”它可通过指定的端口来等待连接的套接字。
ServerSocket 类的构造方法通常会抛出 IOException 异常，具体有以下几种形式:
- ServerSocket(): 创建非绑定服务器套接字。
- ServerSocket(int port): 创建绑定到特定端口的服务器套接字。
- ServerSocket(int port,int backlog): 利用指定的 backlog 创建服务器套接字，并将其绑定到指定的本地端口号上。
- ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddress): 使用指定的端口、侦听 backlog 和要绑定到的本地 IP 地址创建服务器。这种情况适用于计算机上有多块网卡和多个 IP 地址的情况，用户可以明确规定 ServerSocket 在哪块网卡或哪个 IP 地址上等待客户的连接请求。
ServerSocket 类的常用方法如表 21.2 所示。
TCP网络程序设计
明白了 TCP 程序工作的过程，就可以编写 TCP 服务器程序了。在网络编程中，如果只要求客户机向服务器发送消息，不要求服务器向客户机发送消息，称为单向通信。客户机套接字和服务器套接字连接成功后，客户机通过输出流发送数据，服务器则通过输入流接收数据。
例：本实例是一个TCP服务器端程序，在 getserver()方法中建立服务器套接字，调用 getClientMessage()方法获取客户机信息。
package 二十一章;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class MyServer {
private ServerSocket server;//服务器套接字
private Socket socket;//客户机套接字
void start() {
try {
server = new ServerSocket(8998);//服务器启用8998端口
System.out.println("服务器套接字已经创建成功");
while(true) {
System.out.println("等待客户机的连接");
socket = server.accept();//服务器监听客户机连接
//根据套接字字节流创建字符输入流
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
while(true) {//循环接收信息
String message = reader.readLine();//读取一行文本
if("exit".equals(message)) {//如果客户机发来的内容为“exit”
System.out.println("客户机退出");
break;//停止接受信息
}
System.out.println("客户机："+message);
}
reader.close();//关闭流
socket.close();//关闭套接字
}
}catch(IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
MyServer tcp = new MyServer();
tcp.start();//启动服务器
}
}
运行结果：
运行服务器端程序，将输出提示信息，等待客户呼叫。下面再来看一下客户端程序。编写客户端程序，将用户在文本框中输入的信息发送至服务器端，并将文本框中输入的信息显示在客户端的文本域中。
package 二十一章;
import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Container;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JScrollPane;
import javax.swing.JTextArea;
import javax.swing.JTextField;
public class MyClient extends JFrame{
private PrintWriter writer;//根据套接字字节流创建的字符输出流
Socket socket;//客户端套接字
private JTextArea area = new JTextArea();//展示信息的文本域
private JTextField text = new JTextField();//发送信息的文本框
public MyClient() {
setTitle("向服务器送数据");
setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
Container c = getContentPane(); //主容器
JScrollPane scrollPane = new JScrollPane(area);//滚动面板
getContentPane().add(scrollPane,BorderLayout.CENTER);
c.add(text,"South");//将文本框放在窗体的下部
text.addActionListener(new ActionListener() {//文本框触发回车事件
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
writer.println(text.getText().trim());//将文本框中的信息显示在文本域中
area.append(text.getText()+'\n');//将文本框中的信息显示在文本域中
text.setText("");//将文本框清空
}
});
}
private void connect() {//连接服务器方法
area.append("尝试连接\n");//文本域中提示信息
try {
socket = new Socket("127.0.0.1",8998);//连接本地计算机的8998端口
writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
area.append("完成连接\n");
}catch(IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
MyClient clien = new MyClient();
clien.setSize(200, 200);//窗体大小
clien.setVisible(true);//显示窗体
clien.connect();//连接服务器
}
}
运行结果：
21.3 UDP程序
用户数据报协议 (UDP) 是网络信息传输的另一种形式。基于 DP 的通信和基于 TCP 的通信不同，基于 UDP 的信息传递更快，但不提供可靠性保证。
虽然UDP 是一种不可靠的协议，但如果需要较快地传输信息，并能容忍小的错误，可以考虑使用UDP。基于UDP 通信的基本模式如下:
- 将数据打包《称为数据包)，然后将数据包发往目的地。
- 接收别人发来的数据包，然后查看数据包。
发送数据包的步骤如下:
- 使用 DatagramSocket0创建一个数据包套接字。
- 使用 DatagramPacket(bytel] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port)创建要发送的数据包。
- 使用 DatagramSocket 类的 send0方法发送数据包。
接收数据包的步骤如下:
- 使用 DatagramSocket(int port)创建数据包套接字，绑定到指定的端口。
- 使用 DatagramPacket(byte[] buf;int length)创建字节数组来接收数据包。
- 使用 DatagramPacket 类的 receive0方法接收UDP 包。
DatagramPacket 类
DatagramSocket 类
java.net 包中的 DatagramSocket 类用于表示发送和接收数据包的套接字。该类的构造方法如下：
- DatagramSocket()。
- DatagramSocket(int port).
- DatagramSocket(int port, InetAddress addr).
第一种构造方法创建 DatagramSocket 对象，构造数据报套接字，并将其绑定到本地主机任何可用的端口上。第二种构造方法创建 DatagramSocket 对象，创建数据报套接字，并将其绑定到本地主机的指定端口上。第三种构造方法创建 DatagramSocket 对象，创建数据报套接字，并将其绑定到指定的口和指定的本地地址上。第三种构造函数适用于有多块网卡和多个 IP 地址的情况。
UDP网络程序设计
广播数据报是一项较新的技术，其原理类似于电台广播。广播电台需要在指定的波段和频率上广播信息，收听者也要将收音机调到指定的波段、频率，才可以收听广播内容。
（1）广播主机程序不断地向外播出信息，代码如下:
package 二十一章;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;
public class Notification extends Thread{
String weather = "节日预报：八点有大型晚会，请收听";//发送的消息
int port = 9898;//端口
InetAddress iaddress = null;
MulticastSocket socket = null;//多点广播套接字
Notification(){
try {
iaddress = InetAddress.getByName("224.225.10.0");//广播组地址
socket = new MulticastSocket(port);//实例化多点广播套接字
socket.setTimeToLive(1);//指定发送范围是本地网络
socket.joinGroup(iaddress);//加入广播组
}catch(IOException e) {
e.printStackTrace();//输出异常信息
}
}
public void run() {
while(true) {
DatagramPacket packet = null;//数据包
byte data[] = weather.getBytes();///字符串消息的字节数组
packet = new DatagramPacket(data,data.length,iaddress,port); //将数据打包
System.out.println(weather);//控制台打印消息
try {
socket.send(packet);//发送数据
sleep(3000);//线程休眠
}catch(IOException e) {
e.printStackTrace();
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Notification w = new Notification();
w.start();//启动线程
}
}
运行结果：
（2）接收广播程序，代码如下:
package 二十一章;
import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Color;
import java.awt.GridLayout;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;
import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JPanel;
import javax.swing.JTextArea;
import javax.swing.WindowConstants;
public class Receive extends JFrame implements Runnable,ActionListener{
int port; //端口
InetAddress group = null; //广播组地址
MulticastSocket socket = null; //多点广播套接字对象
JButton inceBtn = new JButton("开始接收");
JButton stopBtn = new JButton("停止接收");
JTextArea inceAr = new JTextArea(10,10); //显示接收广播的文本域
JTextArea inced = new JTextArea(10,10);
Thread thread;
boolean stop = false; //停止接收信息状态
public Receive() {
setTitle("广播数据报");
setDefaultCloseOperation(WindowConstants.EXIT_ON_CLOSE);
thread = new Thread(this);
inceBtn.addActionListener(this); //绑定按钮ince的单击事件
stopBtn.addActionListener(this); //绑定按钮stop的单击事件
inceAr.setForeground(Color.blue); //指定文本域中文字的颜色
JPanel north = new JPanel();
north.add(inceBtn); //将按钮添加到面板north上
north.add(stopBtn);
add(north,BorderLayout.NORTH); //将north放置在窗体的上部
JPanel center = new JPanel(); //创建面板对象center
center.setLayout(new GridLayout(1,2));//设置面板布局
center.add(inceAr); //将文本域添加到面板上
center.add(inced);
add(center,BorderLayout.CENTER); //设置面板布局
validate(); //刷新
port = 9898; //设置端口号
try {
group = InetAddress.getByName("224.225.10.0");//指定接收地址
socket = new MulticastSocket(port); //绑定多点广播套接字
socket.joinGroup(group); //加入广播组
}catch(IOException e) {
e.printStackTrace(); //输出异常信息
}
setBounds(100,50,360,380);//设置布局
setVisible(true);//将窗体设置为显示状态
}
public void run() { //run()方法
while(!stop) {
byte data[] = new byte[1024];//创建缓存字节数组
DatagramPacket packet = null;
packet = new DatagramPacket(data,data.length,group,port);//待接收的数据包
try {
socket.receive(packet);//接收数据包
//获取数据包中的内容
String message = new String(packet.getData(),0,packet.getLength());
inceAr.setText("正在接收的内容：\n"+message);//将接收内容显示在文本域中
inced.append(message+"\n");//每一条信息为一行
}catch(IOException e) {
e.printStackTrace();//输出异常信息
}
}
}
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) { //单击按钮ince触发的事件
if(e.getSource() == inceBtn) {
inceBtn.setBackground(Color.red); //设置按钮颜色
stopBtn.setBackground(Color.yellow);
if(!(thread.isAlive())) { //如线程不处于”新建状态“
thread = new Thread(this); //实例化Thread对象
}
thread.start(); //启动线程
stop = false; //开始接收信息
}
if(e.getSource() == stopBtn) { //单击按钮stop触发的事件
inceBtn.setBackground(Color.yellow); //设置按钮颜色
stopBtn.setBackground(Color.red);
stop = true; //停止接收信息
}
}
public static void main(String[] args) {
Receive rec = new Receive();
rec.setSize(460,200);
}
}
运行结果：
