网络编程

一、概述

概念：

• 用Java语言实现计算机间数据的信息传递和资源共享；
• 其它编程语言也可以实现网络编程。

目的：

• 直接或间接地通过网络协议与其它计算机进行通讯。

需要解决的问题：

• 如何准确地定位网络上一台或多台主机；
• 如何定位主机上的特定应用；
• 找到主机后如何可靠高效地进行数据传输。

二、网络通信要素

如何实现网络中的主机互相通信？

• 一定的规则（即：网络通信协议。有两套参考模型）
  • OSI参考模型
  • TCP/IP参考模型(或TCP/IP协议)
• 通信双方地址
  • IP地址
  • 端口号

2.1、网络协议

一种规则，人和人交流有语言的规则，计算机之间通过网络交流也要有网络的规则。

2.1.1、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。

2.1.2、TCP\IP协议

出现较早，事实上的标准。

两种协议之间存在对应关系：

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。

2.1.3、TCP和UDP

TCP协议：

• 使用TCP协议前，须先建立TCP连接，形成传输数据通道；
• 传输前，采用三次握手方式，是可靠的；
• TCP协议进行通信的两个应用进程：客户端、服务端；
• 在连接中可进行大数据量的传输；
• 传输完毕，使用四次挥手方式，释放连接，结束传输，效率低。

UDP协议：

• 将数据、源、目的封装成数据包，不需要建立连接；
• 每个数据报的大小限制在64KB内；
• 因无需连接，故是不可靠的；
• 发送数据结束时无需释放资源，速度快。

三次握手过程：

四次挥手过程：

为什么建立连接握手三次，关闭连接时需要是四次呢？

TCP握手的时候，接收端发送SYN+ACK的包是将一个ACK和一个SYN合并到一个包中，所以减少了一次包的发送，三次完成握手。

对于四次挥手，因为TCP是全双工通信，在主动关闭方发送FIN包后，接收端可能还要发送数据，不能立即关闭服务器端到客户端的数据通道，所以也就不能将服务器端的FIN包与对客户端的ACK包合并发送，只能先确认 ACK，然后服务器待无需发送数据时再发送FIN包，所以四次挥手时必须是四次数据包的交互。

2.2、IP地址和端口号

2.2.1、IP地址

唯一的标识Internet上的计算机（通信实体）。

本地回环地址：127.0.0.1。

IP地址分类方式1：

• IPV4：4个字节组成，4个0-255。大概42亿，30亿都在北美，亚洲4亿。2011年初已经用尽。以点分十进制表示，如192.168.0.1
• IPV6：128位(16个字节)，写成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，如：3ffe:3201:1401:1280:c8ff:fe4d:db39:198

IP地址分类方式2：

• 公网地址(万维网使用)和私有地址(局域网使用)。一般192.168.开头的就是私有址址，范围即为192.168.0.0--192.168.255.255，专门为组织机构内部使用。

2.2.2、端口号

端口号标识正在计算机上运行的进程(程序)，不同的进程有不同的端口号。端口号是一个16位的整数0~65535。

端口分类：

• 公认端口：0~1023。被预先定义的服务通信占用(如：HTTP占用端口 80，FTP占用端口21，Telnet占用端口23)；
• 注册端口：1024~49151。分配给用户进程或应用程序(如：Tomcat占用端口8080，MySQL占用端口3306，Oracle占用端口1521等)。
• 动态/私有端口：49152~65535。

端口号与IP地址的组合得出一个网络套接字Socket。

2.2.3、InetAddress类

Internet上的主机有两种方式表示地址：

• 域名，stage1.codeaction.org
• IP地址：216.127.178.187

InetAddress作用主要是表示IP地址，它有两个子类：

• Inet4Address
• Inet6Address

InetAddress类对象含有一个Internet主机地址的域名和IP地址：

• stage1.codeaction.org
• 216.127.178.187

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)负责将域名转化成IP地址，这样才能和主机建立连接。域名解析过程：

• 先找本机hosts文件，是否有输入的域名地址；
• 没有的话，再通过DNS服务器，找主机。

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)

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

import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;

public class MyTest1 {

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		/*
		 * 对InetAdrress进行测试
		 * InetAddress表示的是IP地址
		 * */
		//获取InetAddress对象1
		//InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
		InetAddress address = InetAddress.getByName("stage1.codeaction.org");//网址--域名
		System.out.println(address);
        
        InetAddress l1 = InetAddress.getByName("localhost");
        System.out.println(l1);

        //获取InetAddress对象2
        InetAddress l2 = InetAddress.getLocalHost();
        System.out.println(l2);
	
		//获取IP地址
		String ip = address.getHostAddress();
		System.out.println(ip);
		//获取主机名
		String hostName = address.getHostName();
		System.out.println(hostName);
		//测试主机是否可达 毫秒
		System.out.println(address2.isReachable(40));
	}
}

2.2.4、网络套接字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。

网络上具有唯一标识的IP地址和端口号组合在一起才能构成唯一能识别的标志套接字。

通信的两端都要有Socket，是两台机器间通信的端点。

网络通信其实就是Socket间的通信。

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。

Socket类的常用构造器：

• 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：

• getLocalAddress()：返回本地Socket中的IP的InetAddress对象；
• getLocalPort()：返回本地Socket中的端口号；
• getInetAddress()：返回对方Socket中IP地址；
• getPort()：返回对方Socket中的端口号；
• close()：关闭套接字；
• getInputStream()：获取输入流，用来读取数据；
• getOutputStream()：获取输出流，用来发送数据。

三、基于TCP协议的网络编程

3.1、服务端

服务器程序的工作过程包含以下四个基本的步骤：

1. 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；
2. 调用accept()：监听连接请求，如果客户端请求连接，则接收连接，返回套接字对象；
3. 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；
4. 关闭ServerSocket和Socket对象，客户端访问结束，关闭通信套接字。

ServerSocket对象负责等待客户端请求建立套接字连接，类似邮局某个窗口中的业务员。也就是说，服务器必须事先建立一个等待客户请求建立套接字连接的ServerSocket对象，这个对象称为监听套接字。

所谓接收客户的套接字请求，就是accept()方法会返回一个Socket对象，这个对象称为已连接套接字。

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.InetAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Server {

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		/*
		 * 创建服务器
		 */
		// 创建监听套接字
		ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10001);
		while (true) {
			// 监听---->返回已连接套接字
			Socket socket = serverSocket.accept();
			// 获取对方地址信息
			InetAddress clientAddress = socket.getInetAddress();
			int port = socket.getPort();
			System.out.println(clientAddress.getHostAddress() + "连接, 端口号：" + port);
			byte[] arr = new byte[1024];
			String str = "";
			// 获取IO流
			InputStream in = socket.getInputStream();

			while (true) {
				// 获取客户端发送的消息
				int len = in.read(arr, 0, 1024);
				// 判断客户端是否关闭
				if (len == -1) {
					break;
				}
				// 将接受到的内容进行转换
				str = new String(arr, 0, len);
				System.out.println(str);
			}

			socket.close();
		}
		// serverSocket.close();
	}
}

3.2、客户端

客户端Socket的工作过程包含以下四个基本的步骤：

1. 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；
2. 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；
3. 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程；
4. 关闭Socket：断开客户端到服务器的连接，释放线路。

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
import java.util.Scanner;

public class Client {

	public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {
		/*
		 * 客户端
		 * */
		/*
		 * 创建套接字
		 * 需要制定服务器的IP地址和端口号
		 * 只要返回，就说明和服务器建立了连接
		 * */
		Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 10001);
		//获取IO流，进行IO操作
		OutputStream out = socket.getOutputStream();
		
		Scanner sc = new Scanner(System.in);
		String str = "";
		while(true) {
			//获取用户输入的信息
			str = sc.next();
			//用户输入exit退出
			if(str.equals("exit")) {
				break;
			}
			//发送到服务器
			out.write(str.getBytes());
		}
		//关闭socket
		socket.close();
	}
}

3.3、支持多客户端的服务器

使用多线程

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;

public class LinkThread extends Thread {
    private Socket socket;

    public LinkThread(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            InetAddress address = socket.getInetAddress();
            String hostAddress = address.getHostAddress();
            int port = socket.getPort();
            System.out.println(hostAddress + ":" + port + "已连接");
            InputStream in = socket.getInputStream();
            int len = 0;
            byte[] arr = new byte[1024];

            while((len = in.read(arr)) != -1) {
                String s = new String(arr, 0, len);
                System.out.println(hostAddress + ":" + port + "---" + s);
            }

            socket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Server1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建监听套接字
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10001);

        while (true) {
            //获取已连接套接字
            Socket socket = serverSocket.accept();
            LinkThread linkThread = new LinkThread(socket);
            linkThread.start();
        }
    }
}

四、基于UDP协议的网络编程

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。

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。

UDP网络通信流程：

1. 建立发送端、接收端；
2. 建立数据包；
3. 调用Socket的发送、接收方法；
4. 关闭Socket。

发送端与接收端是两个独立的运行程序。

public class Recv {
    public static void main(String[] args) {
        DatagramSocket datagramSocket = null;
        try {
            datagramSocket = new DatagramSocket(10001);
            byte[] arr = new byte[1024];

            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(arr, arr.length);
            datagramSocket.receive(packet);

            String s = new String(packet.getData(), 0, packet.getLength());
            //System.out.println(Arrays.toString(arr));
            System.out.println(s);
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(datagramSocket != null) {
                datagramSocket.close();
            }
        }
    }
}

public class Send {
    public static void main(String[] args) {
        DatagramSocket socket = null;

        try {
            socket = new DatagramSocket();
            byte[] arr = "hello".getBytes();
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(arr, 0, arr.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 10001);
            socket.send(packet);
        } catch (SocketException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (UnknownHostException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(socket != null) {
                socket.close();
            }
        }
    }
}