Java学习笔记14-网络编程

四月 17, 2021 17331

一、网络编程概述

Java提供了网络类库，可以轻松实现网络连接，底层细节隐藏在Java的本机安装系统里，由JVM控制。Java实现了一个跨平台的网络库，程序员面对的是一个统一的网络编程环境。

网络编程的目的：直接或间接地通过网络协议与其它计算机实现数据交换，进行通讯。

实现网络编程面对的两个问题：

如何准确定位某台主机，如何定位主机上的特定应用。
- 解决方法：使用IP地址定位主机，端口号定位特定应用
找到主机后如何可靠高效地进行数据传输。
- 解决方法：提供网络通信协议。

二、网络通信两个要素

想要实现网络中的主机互相通信，需要满足两个条件：

已知通信双方的地址，包括IP和端口号。
一定的规则，即网络通信协议。有OSI和TCP/IP两个参考模型，OSI参考模型过于理想化，主要是使用TCP/IP参考模型（TCP/IP协议）。

OSI参考模型	TCP/IP参考模型	TCP/IP参考模型各层对应协议
应用层	应用层	HTTP、FTP、Telnet、DNS...
表示层
会话层
传输层	传输层	TCP、UDP...
网络层	网络层	IP、ICMP、ARP...
数据链路层	物理+数据链路层	以太网、无线LAN...
物理层	物理+数据链路层	以太网、无线LAN...

1、IP和端口号

IP地址

IP：唯一的标识Internet上的计算机（通信实体），Java中使用InetAddress类代表IP。

Internet上的主机有两种方式表示地址：

域名(hostName，主机名)：比如 www.baidu.com。其中本地主机名用localhost表示
IP地址(hostAddress)：比如 182.61.200.7。本地地址用127.0.0.1表示

InetAddress没有公共的构造器，提供了两个静态方法用于实例化：

public static InetAddress getLocalHost()：返回localhost地址的InetAddress对象
public static InetAddress getByName(String host)：返回指定主机地址的InetAddress对象，host参数可以是域名或者ip地址。

InetAddress常用的方法：

public String getHostName()：返回当前主机的域名(主机名)
public String getHostAddress()：返回当前主机的ip地址
public boolean isReachable(int timeout)：测试指定时间内是否可以到达当前地址

应用实例：

public class InetAddressTest {
    @Test
    public void test() throws IOException {
        InetAddress inet1 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
        System.out.println(inet1.getHostAddress()); // 182.61.200.7
        System.out.println(inet1.getHostName()); // www.baidu.com

        InetAddress inet2 = InetAddress.getByName("182.61.200.7");
        System.out.println(inet2.getHostAddress()); // 182.61.200.7
        System.out.println(inet2.getHostName()); // 182.61.200.7
        
        System.out.println(inet1.isReachable(500)); //true
        System.out.println(inet2.isReachable(500)); //true
    }
}

端口号

端口号用来标识正在计算机上运行的程序（进程）。不同的进程有不同的端口号，端口号用一个16位的整数表示，范围是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等。
注册端口：1024-49151，分配给用户进程或应用程序。比如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，即1100 0000 0000 0000-1111 1111 1111 1111

端口号和IP地址的组合，得到网络套接字：Socket。

2、网络通信协议

网络通信协议对速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等制定标准。

以TCP/IP协议为例。TCP/IP协议将网络协议分成了物理链路层、网络层、传输层和应用层四层，其中传输层有两个非常重要的协议：

TCP(Transmission Control Protocol)：传输控制协议。
- 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，点对点通信，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，需释放已建立的连接，效率低。
UDP(User Datagram Protocol)：用户数据报协议。
- 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64K内。
- 发送不管对方是否准备好，接收方收到也不确认，是不可靠的。
- 可以广播发送。
- 发送数据结束时无需释放资源，开销小，速度快。

TCP的三次握手和四次挥手：

Socket

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。

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：

public InputStream getInputStream()：返回此套接字的输入流。可以用于接收网络消息
public OutputStream getOutputStream()：返回此套接字的输出流。可以用于发送网络消息
public InetAddress getInetAddress()：此套接字连接到的远程IP地址；如果套接字是未连接的，则返回null。
public InetAddress getLocalAddress()：获取套接字绑定的本地地址。即本端的IP地址
public int getPort()：此套接字连接到的远程端口号；如果尚未连接套接字，则返回0。
public int getLocalPort()：返回此套接字绑定到的本地端口。如果尚未绑定套接字，则返回-1。即本端的端口号。
public void close()：关闭此套接字。套接字被关闭后，便不可在以后的网络连接中使用（即无法重新连接或重新绑定）。需要创建新的套接字对象。关闭此套接字也将会关闭该套接字的InputStream和OutputStream。
public void shutdownInput()：如果在套接字上调用shutdownInput()后从套接字输入流读取内容，则流将返回EOF（文件结束符）。即不能在从此套接字的输入流中接收任何数据。
public void shutdownOutput()：禁用此套接字的输出流。对于TCP套接字，任何以前写入的数据都将被发送，并且后跟TCP的正常连接终止序列。如果在套接字上调用shutdownOutput()后写入套接字输出流，则该流将抛出IOException。即不能通过此套接字的输出流发送任何数据。

三、TCP网络编程

1、TCP通信流程

TCP连接的套接字函数：

基于Socket的TCP编程，基本步骤：

客户端：

创建Socket：根据指定服务端的IP地址或端口号构造Socket类对象（使用Socket类的两个构造器方法）。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/输出流：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。
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。
关闭Socket：断开客户端到服务器的连接，释放线路。

客户端建立socketAtClient对象的过程就是向服务器发出套接字连接请求。

客户端可以自定义，可以是浏览器

服务器：

调用ServerSocket（int port）：创建一个服务端套接字，并绑定到指定端口上，用于监听客户端的请求。
调用accept（）：监听连接请求，如果客户端请求连接，则接受连接。此方法返回通信套接字对象。
调用返回的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。服务器必须实现建立一个等待客户请求建立socket连接的ServerSocket对象。

accept接收客户的socket请求，并返回一个socket对象。

服务端可以自定义，可以是Tomcat服务器

2、TCP网络编程案例

应用举例1，客户端发送文件给服务端，服务端保存到本地，并返回“接收成功”给客户端：

public class TCPTest3 {
    @Test
    public void client() throws IOException {
        //1.创建Socket，指定要连接的主机地址和端口号
        Socket socket = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"),9090);
        //2.打开连接到socket的输出流
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        //3.建立文件流
        FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("beauty.jpg"));
        //4.写数据
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len;
        while((len = fis.read(buffer)) != -1){
            os.write(buffer,0,len);
        }
        //写完数据以后要关闭数据输出流，不然会一直处于阻塞状态
        socket.shutdownOutput(); 
        //5.接收来自于服务器端的数据，并显示到控制台上
        InputStream is = socket.getInputStream();
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        byte[] bufferr = new byte[20];
        int len1;
        while((len1 = is.read(buffer)) != -1){
            baos.write(buffer,0,len1);
        }

        System.out.println(baos.toString());
        //6.关闭流
        fis.close();
        os.close();
        socket.close();
        is.close();
        baos.close();
    }
    @Test
    public void server() throws IOException {
        //1.创建ServerSocket对象，设置端口为9090
        ServerSocket ss = new ServerSocket(9090);
        //2.调用accept监听连接请求，连接成功后才会执行下面的代码
        Socket socket = ss.accept();
        //3.获取输入流
        InputStream is = socket.getInputStream();
        //4.构建节点流
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("beauty2.jpg"));
        //5.将输入流内容写到文件中
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len;
        while((len = is.read(buffer)) != -1){
            fos.write(buffer,0,len);
        }

        System.out.println("文件传输完成");
        //6.服务器端给予客户端反馈
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        os.write("我是服务器，文件已收到".getBytes());

        //7.关闭连接。这里需要使用try-catch捕获异常。
        fos.close();
        is.close();
        socket.close();
        ss.close();
        os.close();
    }
}

应用举例2，客户端向服务器发送信息，服务器返回接受成功，直到输入“exit”断开连接：

/*
Client.java文件
*/
package com.atguigu.Exer;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        new Client().start();
    }
    public void start() {
        Socket socket = null;
        OutputStream os = null;
        Scanner sc = null;
        ByteArrayOutputStream baos = null;
        while (true) {
            try {
                //1.
                socket = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 9999);
                //2.
                os = socket.getOutputStream();
                //3.
                System.out.println("Input message：");
                sc = new Scanner(System.in);
                String message = sc.next();
                os.write(message.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                socket.shutdownOutput();//写完数据以后要关闭数据输出流
                //接收来自服务器的消息
                InputStream is = socket.getInputStream();

                baos = new ByteArrayOutputStream();
                int len = 0;
                while ((len = is.read()) != -1) {
                    baos.write(len);
                }
                System.out.println(baos.toString());

                if ("exit".equals(message)) break;
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (os != null) {
                    try {
                        os.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                if (socket != null) {
                    try {
                        socket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

/*
Server.java文件
*/
package com.atguigu.Exer;

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

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        new Server().start();
    }
    public void start() {
        ServerSocket ss = null;
        Socket socket = null;
        InputStream is = null;
        ByteArrayOutputStream baos = null;
        try {
            ss = new ServerSocket(9999);
            while (true) {
                socket = ss.accept();
                is = socket.getInputStream();
                int len = 0;
                baos = new ByteArrayOutputStream();
                while ((len = is.read()) != -1) {
                    baos.write(len);
                }
                String message = baos.toString();
                System.out.print("From " + socket.getInetAddress().getHostName() 
                                 + ": ");
                System.out.println(message);
                socket.getOutputStream().write(
                    "-----Message received-----".getBytes());
                socket.shutdownOutput();//写完数据以后要关闭数据输出流
                if ("exit".equals(message)) break;
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (ss != null) {
                try { ss.close(); }
                catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
            }
            if (socket != null) {
                try { socket.close(); }
                catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
            }
            if (is != null) {
                try { is.close(); }
                catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
            }
            if (baos != null) {
                try { baos.close(); }
                catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
            }
        }
    }
}

四、UDP网络编程

1、UDP通信流程

UDP连接的套接字函数：

类DatagramSocket和DatagramPacket实现了基于UDP协议网络程序。

DatagramSocket，数据报套接字，负责发送和接收UDP数据报(数据包)，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(数据包)，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网络通信步骤：

由于UDP通信不需要建立连接，因此客户端和服务端步骤相同。

使用DatagramSocket创建socket。
使用DatagramPacket建立数据包，将要发送/接收的数据、IP地址、端口号封装到数据包中。
调用socket的发送、接收方法。
关闭socket。

2、UDP网络编程案例

应用实例，发送端向接收端发送信息：

public class UDPTest {

    //发送端
    @Test  //为了看着简洁，使用throws处理异常。正确方式是try-catch
    public void sender() throws IOException {
        //1.创建数据包套接字对象
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        String str = "我是UDP发送端";
        byte[] data = str.getBytes();
        InetAddress inet = InetAddress.getLocalHost();
        //2.将要发送的数据以及IP和端口号封装到数据包中
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data,0,data.length,inet,9090);
        //3.发送数据
        socket.send(packet);
        //4.关闭socket，这里同样应该使用try-catch处理异常。
        socket.close();
    }
    //接收端
    @Test
    public void receiver() throws IOException {
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9090);
        byte[] buffer = new byte[100];
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer,0,buffer.length);
        //将接收的数据存入数据包
        socket.receive(packet);
        System.out.println(new String(packet.getData(),0,packet.getLength()));
        socket.close();
    }
}

五、URL编程

1、URL介绍

URL（Uniform Resource Locator）：统一资源定位符，表示Internet上某一资源的地址。

通过url可以访问Internet上的各种网络资源，浏览器通过解析给定的url，在网络上查找相应的文件或其他资源。

URL基本结构有5部分：<传输协议>://<主机名>:<端口号>/<文件名>#片段名?参数列表。

例如：http://127.0.0.1:8080/helloworld/index.jsp#a?username=admin&password=123

#片段名：即锚点，例如小说定位到章节。

参数列表格式：参数名=参数值&参数名=参数值…

2、URL类

java.net.URL类用于表示URL，其有四种构造器：

public URL (String spec)：通过一个表示URL地址的字符串可以构造一个URL对象。
- 例如：URL url= new URL ("http://www.baidu.com/");
public URL(URL context, String spec)：通过基URL和相对URL构造一个URL对象。
- 例如：URL downloadUrl= new URL(url, “download.html");
public URL(String protocol, String host, String file)
- 例如：newURL("http","www.baidu.com",“download.html");
public URL(String protocol, String host,intport, String file);
- 例如:URL gamelan = newURL("http","www.baidu.com", 80,“download.html");

URL类的构造器都声明抛出非运行时异常，必须对这种异常进行处理，通常使用try-catch语句捕获。

URL类的常用方法：

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
publicString getQuery()：获取该URL的查询名

3、URL编程

URL的方法openStream()能从网络上读取数据。

若希望输出数据，例如向服务器端的CGI（公共网关接口-Common GatewayInterface-的简称，是用户浏览器和服务器端的应用程序进行连接的接口）程序发送一些数据，则必须先与URL建立连接，然后才能对其进行读写，此时需要使用URLConnection类。

URLConnection是抽象类，HttpURLConnection抽象类继承了URLConnection，HttpsURLConnectionImpl继承了HttpURLConnection抽象类。

URLConnection表示到URL所引用的远程对象的连接。当与一个URL建立连接时，首先要在一个URL对象上通过方法openConnection()生成对应的URLConnection对象。如果连接过程失败，将产生IOException.

URL url = new URL ("http://www.baidu.com/index.html");
URLConnectonn u = url.openConnection( );

通过URLConnection对象获取的输入流和输出流，可以与现有的CGI程序进行交互。

public Object getContent() throws IOException
public int getContentLength( )
public String getContentType( )
public long getDate( )
public long getLastModified( )
public InputStream getInputStream( ) throws IOException
public OutputSteram getOutputStream( ) throws IOException

应用实例，使用URL编程下载网络资源文件：

public class URLTest1 {

    public static void main(String[] args) {

        HttpURLConnection urlConnection = null;
        InputStream is = null;
        FileOutputStream fos = null;
        try {
            //1.构造URL对象
            URL url = new URL("https://www.baidu.com/img/
                              PCtm_d9c8750bed0b3c7d089fa7d55720d6cf.png");
            //2.生成URLConnection对象，其实是HttpsURLConnectionImpl对象
            urlConnection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
            //3.建立连接
            urlConnection.connect();
            //4.获取并下载资源
            is = urlConnection.getInputStream();
            fos = new FileOutputStream("D:\\BaiduLogo.jpg");
                            
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while((len = is.read(buffer)) != -1){
                fos.write(buffer,0,len);
            }
            System.out.println("下载完成");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //5.关闭资源
            if(is != null){
                try {is.close();} 
                catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
            }
            if(fos != null){
                try {fos.close();} 
                catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
            }
            if(urlConnection != null){urlConnection.disconnect();}
        }
    }
}

4、URI、URL和URN的区别

URI(uniform resource identifier)，统一资源标识符，用来唯一的标识一个资源。

URL(uniform resource locator)，统一资源定位符，它是一种具体的URI，即URL可以用来标识一个资源，而且还指明了如何locate这个资源。

URN(uniform resource name)，统一资源命名，通过名字来标识资源，比如mailto:java-net@java.sun.com。

也就是说，URI是以一种抽象的，高层次概念定义统一资源标识，而URL和URN则是具体的资源标识的方式，URL和URN都是一种URI。

在Java的URI中，一个URI实例可以代表绝对的，也可以是相对的，只要符合URI语法规则即可。而URL类不仅符合语义，还包含了定位该资源的信息，因此它不能是相对的。

本文作者：Kangshitao
本文链接：http://kangshitao.github.io/2021/04/17/java-note-1401/index.html
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