第二十一章网络通信
网络程序设计基础
局域网与互联网
为了实现两台计算机的通信，必须用一个网络线路连接两台计算机。如下图所示
网络协议
1.IP协议
IP是Internet Protocol的简称，是一种网络协议。Internet 网络采用的协议是TCP/IP协议，其全称是Transmission Control Protocol/Internet Protocol。Internet 依靠TCP/IP协议，在全球范围内实现了不同硬件结构、不同操作系统、不同网络系统间的互联。在Internet 网络上存在着数以亿计的主机，每台主机都用网络为其分配的 Internet 地址代表自己，这个地址就是I地址。到目前为止，I地址用4个字节，也就是32位的二进制数来表示，称为IPv4。为了便于使用，通常取用每个字节的十进制数，并且每个字节之间用圆点隔开来表示I地址，如192.168.1.1。现在人们正在试验使用16个字节来表示I地址，这就是IPv6，但IPv6还没有投入使用。
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，如图所示。
2. TCP与UDP协议
在TCPAIP 协议栈中，有两个高级协议是网络应用程序编写者应该了解的，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。TCP可以保证数据从一端送至连接的另一端时，能够确实送达，而且抵达的数据的排列顺序和送出时的顺序相同。因此，TCP协议适合可靠性要求比较高的场合。就像拨打电话，必须先拨号给对方，等两端确定连接后，相互才能听到对方说话，也知道对方回应的是什么。
HTTP、FTP 和Telnet 等都需要使用可靠的通信频道。例如，HTTP从某个URL读取数据时，如果收到的数据顺序与发送时不相同，可能就会出现一个混乱的HTML文件或是一些无效的信息。
UDP是无连接通信协议，不保证数据的可靠传输，但能够向若干个目标发送数据，或接收来自若干个源的数据。UDP以独立发送数据包的方式进行。这种方式就像邮递员送信给收信人，可以寄出很多信给同一个人，且每一封信都是相对独立的，各封信送达的顺序并不重要，收信人接收信件的顺序也不能保证与寄出信件的顺序相同。
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。这是由于TCP协议在认证上存在额外耗费，可能使传输速度减慢，而UDP协议即使有一小部分数据包遗失或传送顺序有所不同，也不会严重危害该项通信。
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。网络程序设计中的端口（port）并非真实的物理存在，而是一个假想的连接装置。端口被规定为一个在0~65535的整数。HTTP服务一般使用80端口,FTP 服务使用21端口。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，如图所示。
通常，0~1023的端口数用于一些知名的网络服务和应用，用户的普通网络应用程序应该使用1024以上的端口数，以避免端口号与另一个应用或系统服务所用端口冲突。
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，如图所示。
Java 将套接字抽象化为类，程序设计者只需创建Socket类对象，即可使用套接字。
TCP程序
TCP网络程序设计是指利用Socket 类编写通信程序。利用TCP协议进行通信的两个应用程序是有主次之分的，一个称为服务器程序，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所示。
- 服务器程序创建一个 ServerSocket（服务器端套接字）对象，调用accept0方法等待客户机来连接
- 客户端程序创建一个Socket对象，请求与服务器建立连接
- 服务器接收客户机的连接请求，同时创建一个新的Socket 对象与客户建立连接。随后服务器继续等待新的请求
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
例题21.1
import java.net.*; //导出Java.net包
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("本机名IP地址："+localip); //将本机IP地址输出
}catch(UnknownHostException e){
e.printStackTrace(); //输出异常信息
}
}
}//例题21.1
ServerSocket 类
- ServerSocker 类的构造方法通常会抛出1OException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I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
例题21.2
import java.io.*;
import java.net.*;
public class MyServer {
private ServerSocket server; // 服务器套接字
private Socket socket; // 客户端套接字
void start() {// 启动服务器
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("等待客户端的连接");
socket = server.accept(); // 服务器监听客户端连接
// 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) {// 循环接受信息
String message = reader.readLine();// 读取一行文本
if ("exit".equals(message)) {// 如果客户端发来的内容为“exit”
System.out.println("客户端退出");
break;// 停止接受信息
}
System.out.println("客户端:" + 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
}
}
//21.2 
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端，并将文本框中输入的信息显示再客户端的文本域中。
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.io.*;
import java.net.Socket;
import javax.swing.*;
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()); // 将文本框中的信息写入流
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
}
}
//21.2
运行结果如下：
UDP程序
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：
（1）使用DatagramSocketO创建一个数据包套接字。
（2)使用DatagramPacket(byte[] buf,int offset, int length,InetAddress address,int port)创建要发送的数据包。
（3)使用DatagramSocket 类的sendO方法发送数据包。
接收数据包的步骤如下：
（1）使用DatagramSocket(int port)创建数据包套接字，绑定到指定的端口。
(2）使用 DatagramPacket(byte buf, int length)创建字节数组来接收数据包。
（3）使用DatagramPacket 类的receive0方法接收UDP包。
DatagramPacket类
java.net 包的DatagramPacket 类用来表示数据包。DatagramPacket 类的构造方法如下:
- DatagramPacket(byte[] buf, int length)
- DatagramPacket(bytel] buf, int length, InetAddress address, int port)
第一种构造方法在创建DatagramPacket 对象时，指定了数据包的内存空间和大小。
第二种构造方法不仅指定了数据包的内存空间和大小，还指定了数据包的目标地址和端口。
DatagramSocker 类
- java.net 包中的()
- 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端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I地址的情况。
UDP网络程序设计
例题21.3
（1）广播主机程序不断地向外播放信息，代码如下
import java.io.IOException;
import java.net.*;
public class Notification extends Thread {
String weather = "节目预报：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("224.255.10.0"); // 实例化InetAddress，指定地址
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
}
}
//21.3运行结果如下：
（2）接收广播程序。单机“开始接收”按钮，系统开始接收主机播出的信息；单机“停止接收”按钮，系统停止接收广播主机播出的信息。代码如下：
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.io.IOException;
import java.net.*;
import javax.swing.*;
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; // 停止接受信息状态
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(); // 创建Jpanel对象
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("224.255.10.0"); // 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
String message = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength()); // 获取数据包中的内容
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"); // 每条信息为一行
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace(); // 输出异常信息
}
}
}
public void actionPerformed(ActionEvent e) { // 单击事件
if (e.getSource() == inceBtn) { // 单击按钮ince触发的事件
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; // 开始接受信息
}
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; // 停止接受信息
}
}
public static void main(String[] args) {
Receive rec = new Receive();
rec.setSize(460, 200);
}
}运行结果如下：
