Java基础(二十四)：网络编程

Java基础系列文章

Java基础(一)：语言概述

Java基础(二)：原码、反码、补码及进制之间的运算

Java基础(三)：数据类型与进制

Java基础(四)：逻辑运算符和位运算符

Java基础(五)：流程控制语句

Java基础(六)：数组

Java基础(七)：面向对象编程

Java基础(八)：封装、继承、多态性

Java基础(九)：Object 类的使用

Java基础(十)：关键字static、代码块、关键字final

Java基础(十一)：抽象类、接口、内部类

Java基础(十二)：枚举类

Java基础(十三)：注解(Annotation)

Java基础(十四)：包装类

Java基础(十五)：异常处理

Java基础(十六)：String的常用API

Java基础(十七)：日期时间API

Java基础(十八)：java比较器、系统相关类、数学相关类

Java基础(十九)：集合框架

Java基础(二十)：泛型

Java基础(二十一)：集合源码

Java基础(二十二)：File类与IO流

Java基础(二十三)：反射机制

Java基础(二十四)：网络编程

---

---

一、网络通信要素

1、通信要素一：IP地址和域名

1.1、IP地址

• IP地址：指互联网协议地址（Internet Protocol Address），俗称IP
• IP地址用来给网络中的一台计算机设备做唯一的编号

IP地址分类方式一

• 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

• 这种方式最多可以表示42亿个。其中，30亿都在北美，亚洲4亿，中国2.9亿。2011年初已经用尽
• IP地址 = 网络地址 +主机地址
  • 网络地址：标识计算机或网络设备所在的网段
  • 主机地址：标识特定主机或网络设备

• IPv6：为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间，采用128位地址长度，共16个字节
• 8个无符号整数，每个整数用四个十六进制位表示，数之间用冒号:分开。比如：ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789

IP地址分类方式二

• 公网地址( 万维网使用）和 私有地址( 局域网使用）

1.2、域名

• Internet上的主机有两种方式表示地址：
  • 域名(hostName)：www.baidu.com
  • IP 地址(hostAddress)：202.108.35.210
• 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

简单理解：

2、通信要素二：端口号

• 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
• 如果端口号被另外一个服务或应用所占用，会导致当前程序启动失败

3、通信要素三：网络通信协议

• 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

• 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

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

二、传输层协议：TCP与UDP协议

• 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)

1、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
• 适用场景：打电话

2、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

3、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（客户端请求连接）
  • 第二次握手，服务器端发送针对客户端TCP连接请求的确认（服务端收到）
  • 第三次握手，客户端发送确认的确认 （客户端知道服务端收到了）

4、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（客户端请求关闭）
  • 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（服务端收到）
  • 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（服务端请求关闭）
  • 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（客户端收到）

三、网络编程API

1、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
  • public String getHostName() ：获取此IP地址的主机名或者域名

public class TestInetAddress {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //1. 获取本机的InetAddress 对象
        InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();
        System.out.println(localHost);//DESKTOP-S4MP84S/192.168.12.1

        //2. 根据指定主机名 获取 InetAddress对象
        InetAddress host1 = InetAddress.getByName("DESKTOP-S4MP84S");
        System.out.println("host1=" + host1);//DESKTOP-S4MP84S/192.168.12.1

        //3. 根据域名返回 InetAddress对象, 比如 www.baidu.com 对应
        InetAddress host2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
        System.out.println("host2=" + host2);//www.baidu.com / 110.242.68.4

        //4. 通过 InetAddress 对象，获取对应的地址
        String hostAddress = host2.getHostAddress();//IP 110.242.68.4
        System.out.println("host2 对应的ip = " + hostAddress);//110.242.68.4

        //5. 通过 InetAddress 对象，获取对应的主机名/或者的域名
        String hostName = host2.getHostName();
        System.out.println("host2对应的主机名/域名=" + hostName); // www.baidu.com
    }
}

2、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）
• 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
  • 数据报套接字（datagram socket）：使用UDP提供“尽力而为”的数据报服务

3、TCP编程

通信模型

开发步骤

服务端：

• ServerSocket(int port) ：创建一个服务器端套接字ServerSocket，并绑定到指定端口上。用于监听客户端的请求
• 调用ServerSocket对象accept()方法：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Socket
• 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

客户端：

• Socket(InetAddress address, int port)：根据指定服务端的IP地址和端口号构造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
  • 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

例子：从客户端发送文件给服务端，服务端保存到本地。并返回“发送成功”给客户端

服务端：

• ServerSocket对象可以通过 accept() 返回多个Socket[多个客户端连接服务器的并发]
• 当没有客户端连接9090端口时，程序会一直阻塞, 等待连接

@Test
public void server() throws IOException {
    // 1. 创建ServerSocket
    int port = 9090;
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
    // 2. 接收来自于客户端的socket:accept()
    Socket socket = serverSocket.accept();

    // 3. 通过Socket获取一个输入流
    InputStream is = socket.getInputStream();

    // 4. 创建File类的实例、FileOutputStream的实例
    File file = new File("pic_copy2.jpg");
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);

    // 5. 读写过程
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = is.read(buffer)) != -1) {
        fos.write(buffer, 0, len);
    }

    System.out.println("数据接收完毕");

    // 6. 服务端发送数据给客户端
    OutputStream os = socket.getOutputStream();
    os.write("你的图片很漂亮，我接收到了".getBytes());

    // 7. 关闭相关的Socket和流
    os.close();
    fos.close();
    is.close();
    socket.close();
    serverSocket.close();
}

客户端：

• socket.shutdownOutput()：客户端表明不再继续发送数据，否则对方读操作会一直处于阻塞状态

@Test
public void client() throws IOException {
    // 1. 创建Socket
    // 指明对方（即为服务器端）的ip地址和端口号
    InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
    int port = 9090;
    Socket socket = new Socket(inetAddress, port);

    // 2. 创建File的实例、FileInputStream的实例
    File file = new File("pic.jpg");
    FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
    // 3. 通过Socket，获取输出流
    OutputStream os = socket.getOutputStream();

    // 4. 读写数据
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = fis.read(buffer)) != -1) {
        os.write(buffer, 0, len);
    }
    System.out.println("数据发送完毕");

    // 客户端表明不再继续发送数据，否则对方读操作会一直处于阻塞状态
    socket.shutdownOutput();

    // 5. 接收来着于服务器端的数据
    InputStream is = socket.getInputStream();
    ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
    byte[] buffer1 = new byte[5];
    int len1;
    while ((len1 = is.read(buffer1)) != -1) {
        baos.write(buffer1, 0, len1);
    }
    System.out.println(baos.toString());

    // 6. 关闭Socket和相关的流
    baos.close();
    is.close();
    os.close();
    fis.close();
    socket.close();
}

4、UDP编程

通信模型

• 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，类似于短信、视频通话
• UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境，数据报大小限制在64K以下

开发步骤

发送端：

• 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DatagramSocket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：

• 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DatagramSocket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

例子：从客户端发送文件给服务端，服务端保存到本地。并返回“发送成功”给客户端

发送端：

@Test
public void sender() throws Exception {
    // 1. 创建DatagramSocket的实例
    DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

    // 2. 将数据、目的地的ip，目的地的端口号都封装在DatagramPacket数据报中
    InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
    int port = 9090;
    byte[] bytes = "我是发送端".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, 0, bytes.length, inetAddress, port);

    // 发送数据
    ds.send(packet);

    ds.close();
}

接收端：

@Test
public void receiver() throws IOException {
    // 1. 创建DatagramSocket的实例
    int port = 9090;
    DatagramSocket ds = new DatagramSocket(port);

    // 2. 创建数据报的对象，用于接收发送端发送过来的数据
    byte[] buffer = new byte[1024 * 64];
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, 0, buffer.length);

    // 3. 接收数据
    ds.receive(packet);

    // 4.获取数据，并打印到控制台上
    String str = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength());
    System.out.println(str);

    ds.close();
}

5、URL编程

• 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
• URL类常用方法
  • 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());