JavaSE 学习笔记08丨网络编程

Chapter 14. 网络编程

14.1 计算机网络入门

当前节的知识点只是一个概述，更具体、详细的内容放在 计算机网络 中。

14.1.1 软件结构

• C/S结构（Client/Server结构）：指客户端与服务器结构，常见程序有QQ、迅雷等软件。
• B/S结构（Browser/Server结构）：指浏览器与服务器结构。

两种架构各有优势，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。

14.1.2 网络通信协议

• 网络通信协议：只有遵守这些规则，计算机之间才能进行通信。协议中对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定，通信双方必须同时遵守，最终完成数据交换。

• TCP/IP协议：传输控制协议/因特网互联协议（Transmission Control Protocol / Internet Protocol），是Internet最基本、最广泛的协议，它定义了计算机如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。它的内部包含一系列用于处理数据通信的协议，并采用了4层的分层模型，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。

  

14.1.3 协议分类

java.net包中包含的类和接口，提供低层次的通信细节。该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）。UDP协议是一个面向无连接的协议。传输数据时，不需建立连接，不管对方端服务是否启动，直接将数据、数据源和目的地都封装在数据包中，直接发送。每个数据包的大小限制在\(64k\)以内。由于无连接，故传输速度快，但容易丢失数据，日常应用于视频会议、QQ聊天等。

• TCP：传输控制协议（Transmission Control Protocol）。TCP协议是面向连接的通信协议，即传输数据之前，在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。TCP协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器的三次交互，称为三次握手，以保证连接的可靠。

  • 第一次握手：客户端向服务器端发出连接请求，等待服务器确认。
  • 第二次握手：服务器端向客户端回送一个响应，通知客户端收到连接请求。
  • 第三次握手：客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接。

  当完成三次握手，连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输，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，故应用十分广泛，例如下载文件、浏览网页等。

14.1.4 网络编程三要素

利用协议+IP地址+端口号 三元组，即可标识网络中的进程。而进程间的通信即可利用该标识与其他进程进行交互。

1. 协议

   IP地址可以唯一标识网络中的设备，端口号可以唯一标识设备中的进程（应用程序）。

2. IP地址

   IP 指互联网协议地址（Internet Protocol Address），它用来给一个网络中的计算机设备做唯一的编号。而IP地址有如下分类：

   • IPv4：使用32位地址（4字节），故地址空间只有\(2^{32}\)个地址。通常采用点分十进制的格式：a.b.c.d，其中a、b、c、d均为0~255之间的十进制整数并用.分开，如192.168.56.100。
   • IPv6：使用128位地址，故地址空间支持\(2^{128}(=16^{32})\)个地址。它可以分为8组，用:进行分组，每组以4位十六进制方式表示，如 ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789

   常用命令有：

   • 查看本机IP地址，在控制台输入：ipconfig
   • 检查网络是否连通，在控制台输入：ping IP地址（如ping 220.181.57.216）

3. 端口号

   端口号，是一个逻辑端口。它用两个字节表示的整数，其取整范围为[\(0, 2^8\times2^8\)]。其中[\(0,1023\)]之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用。\(1024\)以上的端口则用于普通的应用程序。当网络软件一打开，操作系统便会为该网络软件分配一个随机的端口号。若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。

   常用端口号有：

   1. 80端口：网络端口
   2. 数据库：mysql：3306；oracle：1521
   3. Tomcat服务器：8080

14.2 TCP通信程序

14.2.1 概述

TCP通信能实现两条计算机之间的数据交互，通信的两端，要严格区分客户端（Client）与服务端（Server）。

两端通信时步骤：

1. 服务端程序，需事先启动！但服务端不能够主动连接客户端，需等待客户端的连接。这个连接当中包含IO对象（字节流对象）。
2. 客户端主动连接服务器端，连接成功后，客户端和服务器端可使用IO对象进行通信了。一个数据的交互则需要4个IO流对象

在Java中，提供两个类用于实现TCP通信程序：

1. 客户端：用java.net.Socket 类表示。创建 Socket 对象，向服务端发出连接请求，等到服务端响应请求后，两者建立连接开始通信。

2. 服务端：用java.net.ServerSocket 类表示。创建 ServerSocket 对象，相当于开启一个服务，并等待客户端的连接。

   注意，服务端没有IO流，它使用每个客户端Socket中提供的IO流和客户端进行交互：

   • 服务端使用客户端的字节输入流读入客户端发送的数据。
   • 服务端使用客户端的字节输出流给客户端回写数据。

14.2.2 Socket 类

使用Socket 类，实现客户端套接字（套接字Socket，可以理解为插座，它包含了IP地址和端口号的网络单位）。

构造方法：

• public Socket(String host, int port)：创建套接字（Socket）对象，并将其连接到指定主机上的指定端口号。

  参数：

  • String host：服务器主机的名称/服务器的IP地址。
  • int port：服务器的端口号。

  如果指定的 host 是 null ，则相当于指定地址为回送地址。回送地址(127.x.x.x) 是本机回送地址（Loopback Address），主要用于网络软件测试以及本 地机进程间通信，无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，立即返回，不进行任何网络传输。

成员方法

• public InputStream getInputStream()：返回此套接字的输入流。若此Scoket具有相关联的通道，则生成的InputStream的所有操作也关联该通道。关闭生成的InputStream也将关闭相关的Socket。
• public OutputStream getOutputStream()：返回此套接字的输出流。与上同理。
• public void close()：关闭此套接字。一个Socket被关闭，则不可再被使用
• public void shutdownOutput()：禁用此套接字的输出流。任何先前写出的数据将被发送，随后终止输出流。

14.2.3 ServerSocket 类

ServerSocket类，实现了服务器套接字，该对象等待通过网络的请求。

构造方法：

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

成员方法：

• public Socket accept()：侦听并接受连接，返回一个新的Socket对象，用于给客户端实现通信，该方法会一直阻塞到建立连接。由于服务端必须明确是哪个客户端发送请求，故可使用该方法以获取到发送请求的客户端对象Socket。

14.2.4 简单的TCP网络程序

TCP通信步骤：

1. 【服务端】启动，创建ServerSocket对象，等待连接。

2. 【客户端】启动，创建Socket对象，请求连接。

3. 【服务端】接收连接，调用accept()方法，并返回一个Socket对象。

4. 【客户端】Socket对象，获取OutputStream，向服务端写出数据。

5. 【服务端】Socket对象，获取InputStream，读入客户端发送的数据。

   到此，客户端向服务器发送数据成功！

   至此，服务端向客户端回写数据

6. 【服务端】Socket对象，获取OutputStream，向客户端回写数据。

7. 【客户端】Socket对象，获取InputStream，解析回写数据。

8. 【客户端】释放资源，断开连接。

服务端实现：

public class ServerTCP {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("服务端启动，等待连接中....");
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666); //创建ServerSocket对象，绑定端口，开始等待连接
        Socket server = ss.accept(); //调用accept方法，以获取发送请求的客户端Socket
        InputStream is = server.getInputStream(); //通过Socket对象获取输入流，读入客户端发送的数据

        byte[] arr = new byte[1024];
        int len = is.read(arr); //读入至字节数组中
        String msg = new String(arr, 0, len); //解析数组，打印字符串信息
        System.out.println(msg);

        /* ---------------回写数据--------------- */
        OutputStream os = server.getOutputStream(); //获取Socket获取输出流
        os.write("Hey man, I am good!".getBytes()); //回写数据至客户端

        os.close();
        is.close();
        server.close();
    }
}

客户端实现：

public class ClientTCP {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("客户端发送数据！");
        Socket client = new Socket("localhost", 6666); //确定连接至哪个服务端
        OutputStream os = client.getOutputStream(); //获取输出流对象
        os.write("How do you do, TCP? I am coming!".getBytes()); //写出数据至服务端

        /* ---------------解析回写--------------- */
        InputStream in = client.getInputStream(); //获取输入流对象
        byte[] arr = new byte[100];
        int len = in.read(arr);
        System.out.println(new String(arr, 0, len)); //读取服务端的数据

        in.close();
        os.close();
        client.close();
    }
}

启动时，应该先运行服务端，再运行客户端，顺序颠倒会导致抛出异常

ServerTCP运行结果：

ClientTCP运行结果：