Java基础(二十四)：网络编程
目录
- 一、网络通信要素
- 1、通信要素一：IP地址和域名
- 1.1、IP地址
- 1.2、域名
- 2、通信要素二：端口号
- 3、通信要素三：网络通信协议
- 二、传输层协议：TCP与UDP协议
- 1、TCP协议
- 2、UDP协议
- 3、三次握手
- 4、四次挥手
- 三、网络编程API
- 1、InetAddress类
- 2、Socket类
- 3、TCP编程
- 4、UDP编程
- 5、URL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：://:/#片段名?参数列表
- URL类常用方法
- public final InputStream openStream()：读取资源的数据
- public String getProtocol( )：获取该URL的协议名
- public String getHost( )：获取该URL的IP地址
- 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
@Test public void test1() throws MalformedURLException { URL url = new URL("http://localhost:8080/examples/myTest.txt"); System.out.println("协议 :" + url.getProtocol()); System.out.println("ip地址 :" + url.getHost()); System.out.println("端口 :" + url.getPort()); System.out.println("文件路径 :" + url.getPath()); System.out.println("文件名 :" + url.getFile()); // 拷贝文件到指定目录 InputStream inputStream = url.openStream(); IOUtils.copy(inputStream, new FileOutputStream("/Users/xuchang/Documents/test.txt")); }输出结果：
协议 :http ip地址 :localhost 端口 :8080 文件路径 :/examples/myTest.txt 文件名 :/examples/myTest.txt
- URL(Uniform Resource Locator)：统一资源定位符，它表示Internet上某一资源的地址
- 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
- 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
- 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
- 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
- java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持：
- 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
- 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
- Internet上的主机有两种方式表示地址：
- 公网地址( 万维网使用）和 私有地址( 局域网使用）
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