Java的第二十一章：网络通信

网络程序设计基础

        网络程序设计编写的是与其他计算机进行通信的程序。Java 已经将网络程序所需要的元素封装成不同的类，用户只要创建这些类的对象，使用相应的方法，即使不具备有关的网络支持，也可以编写出高质量的网络通信程序。

局域网与互联网

        为了实现两台计算机的通信，必须用一个网络线路连接两台算计。

        服务器是指提供信息的计算机程序，客户机是指请求信息的计算机或程序。网络用于连接服务器与客户机，实现两者的相互通信。但是，有时在某个网络中很难将服务器与客户机区分开。局域网 (LAN) 是一群通过一定形式连接起来的计算机，它可以由两台计算机组成，也可以由同一区域内地上千台计算机组成。将 LAN 延伸到更大的范围，这样的网络成为广域网（WAN)。互联网是由无数的 LAN 和 WAN 组成的。

网络协议

        网络协议规定了计算机之间连接的物理、机械（网络与网卡的连接规定）、电气（有效的电平范围）等特征，计算机之间的相互寻址规则，数据发送冲突的解决方式，长数据如何分段传送与接收等内容。

        IP 是 Internet Protocol 的简称，是一种网络协议。Internet 网络采用的协议是 TCP/IP协议。TCP/IP 模式是一种层次结构，共分为 4 层，分别为应用层、传输层、互联网层和网络层。各层实现特定的功能，提供特定服务和访问接口，并具有相对的独立性。

        在TCP/IP 协议栈中有两个高级协议 ，即传输控制协议（TCP）与用户数据报协议（UDP）。

端口域套接字

        一般而言，一台计算机只有单一的连接到网络的物理连接，所以的数据读通过此连接对内、对外送达特定的计算机，这就是端口。网络程序设计的端口（port）并非真实的物理存在，而是一个假想的连接装置。

        网络程序中的套接字（Socket）用于将应用程序 与端口连接起来。套接字是一个假想的连接装置，就像插座一样可以连接电器与电线。

TCP 程序

        TCP 网络程序设计是利用 Socket 类编写通信程序。利用 TCP 协议进行通信的两个应用程序是有主次之分的，一个称为服务器程序，另一个称为客户机程序，两者的功能和编写方法大不一样。

InterAddress 类

        java.net 包中的 InterAddress 类是与 IP 地址相关的类，利用该类可以获取 IP 地址、主机地址等信息。

例：获取计算机的本机名与 IP地址

import java.net.InetAddress;
import java.rmi.UnknownHostException;

public class Address {
	public static void main(String[] args) throws java.net.UnknownHostException {
		InetAddress ip;//创建InteAddress对象
		ip=InetAddress.getLocalHost();//实例化对象
		String localname=ip.getHostName();//获取本机名
		String localip=ip.getHostAddress();//获取本机IP地址
		System.out.println("本机名："+localname);
		System.out.println("本机IP地址："+localip);
	}

}

运行结果：

ServerSocket 类

          java.net 包中的 ServerSocket 类用于表示服务器套接字，其主要功能是等待来自网络上的“请求”，它可以通过指定的端口来等待连接的套接字。服务器套接字一次可以与一个套接字。如果多台客户机同时提供出连接请求，服务器套接字会将请求连接的客户机存入列队中，然后从中取出一个套接字，与服务器新建的套接字连接起来。若请求连接大于最大容纳数，则多出的连接请求被拒绝。队列的默认大小是 50。

        ServerSocket 类的构造方法通常会抛出 IOException 异常，具体有以下几种形式:

• ServerSocket(): 创建非绑定服务器套接字。
• ServerSocket(int port): 创建绑定到特定端口的服务器套接字。
• ServerSocket(int port,int backlog): 利用指定的 backlog 创建服务器套接字，并将其绑定到指定的本地端口号上。
• ServerSocket(int port,int backlog,InetAddress bindAddress): 使用指定的端口、侦听 backlog 和要绑定到的本地 IP 地址创建服务器。这种情况适用于计算机上有多块网卡和多个IP 地址的情况，用户可以明确规定 ServerSocket 在哪块网卡或哪个 IP 地址上等待客户的连接请求。

TCP 网络程序设计

例：创建 TCP/IP 协议服务器，本实例是一个 TCP服务器端程序。

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class MyServer {
	private ServerSocket server;//服务器套接字
	private Socket socket;//客户机套接字
	
	void start() throws IOException {
		server=new ServerSocket(8998);//服务器启动8998端口
		System.out.println("服务器套接字已经创建成功");
		while(true) {
			System.out.println("等待客户机的连接");
			socket=server.accept();
			//根据套接字字节流创建字符输入流
			BufferedReader reader=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
			while(true) {//循环接收信息
				String message=reader.readLine();//读取一行文本
				if("exit".equals(message)) {
			    	System.out.println("客户机退出");
			    	break;
				}
				System.out.println("客户机:"+message);
			}
			reader.close();//关闭流
			socket.close();//关闭套接字
		}
	}
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		MyServer tcp=new MyServer();
		tcp.start();//启动服务器
	}

}

运行结果：

 运行服务器端程序，将输出提示信息，等待客户呼叫。下面再来看一下客户端程序。

 
import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Container;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JScrollPane;
import javax.swing.JTextArea;
import javax.swing.JTextField;
 
public class MyClient extends JFrame{
	private PrintWriter writer;//根据套接字字节流创建的字符输出流
	Socket socket;//客户端套接字
	private JTextArea area = new JTextArea();//展示信息的文本域
	private JTextField text = new JTextField();//发送信息的文本框
	
	public MyClient() {
		setTitle("向服务器送数据");
		setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
		Container c = getContentPane();	//主容器
		JScrollPane scrollPane = new JScrollPane(area);//滚动面板
		getContentPane().add(scrollPane,BorderLayout.CENTER);
		c.add(text,"South");//将文本框放在窗体的下部
		text.addActionListener(new ActionListener() {//文本框触发回车事件
			public void actionPerformed(ActionEvent e) {
				writer.println(text.getText().trim());//将文本框中的信息显示在文本域中
				area.append(text.getText()+'\n');//将文本框中的信息显示在文本域中
				text.setText("");//将文本框清空
			}
		});
	}
	
	private void connect() {//连接服务器方法
		area.append("尝试连接\n");//文本域中提示信息
		try {
			socket = new Socket("127.0.0.1",8998);//连接本地计算机的8998端口
			writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
			area.append("完成连接\n");
		}catch(IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		MyClient clien = new MyClient();
		clien.setSize(200, 200);//窗体大小
		clien.setVisible(true);//显示窗体
		clien.connect();//连接服务器
	}
 
}

运行结果：

UDP 程序

        用户数据报协议 (UDP) 是网络信息传输的另一种形式。基于 UDP 的通信和基于 TCP 的通信基于 UDP的信息传递更快，但不提供可靠性保证。使用 UDP 传递数据时，用户无法知道数据能否正确地到达主机，也不能确定到达目的地的顺序是否和发送相同。虽然 UDP 是一种不可靠的员议，但如果需要较快地传输信息，并能容忍小的错误，可以考虑使用 UDP。

        基于 UDP 通信的基本模式如下：

• 将数据打包 (称为数据包)，然后将数据包发往目的地。
•  接收别人发来的数据包，然后查看数据包。

         发送数据包的步骤如下:

1. 使用 DatagramSocket() 创建一个数据包套接字。
2. 使用 DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port)创建要发送的
3. 数据包。
4. 使用 DatagramSocket 类的 send() 方法发送数据包。

        接收数据包的步骤如下:

1. 使用 DatagramSocket(int port) 创建数据包套接字，绑定到指定的端口。
2. 使用 DatagramPacket(byte[]buf,int length) 创建字节数组来接收数据包。
3. 使用 DatagramPacket 类的 receive() 方法接收UDP包。

DatagramPacket 类

        java.net 包的 DatagramPacket 类用来表示数据包。DatagramPacket 类的构造方法如下:

• DatagramPacket(byte[] buf, int length)
• DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port).

         第一种构造方法在创建 DatagramPacket 对象时，指定了数据包的内存空间和大小。第二种构造方法不仅指定了数据包的内存空间和大小，还指定了数据包的目标地址和口、在发送数据时，必须指定接收方的 Socket 地址和端口号，因此使用第二种构造方法可创建发送数据的 DamgramPacket 对象。

DatagramSocket 类

        javanet 包中的 DatagramSocket 类用于表示发送和接收数据包的套接字。该类的构造方法如下:

• DatagramSocket()
• DatagramSocket(int port)
• DatagramSocket(int port, InetAddress addr)

        第一种构造方法创建 DatagramSocket 对象，构造数据报套接字，并将其绑定到本地主机任何可用的端口上。第二种构造方法创建 DatagramSocket 对象，创建数据报套字，并将其绑定到本地主机的指定端口上。第三种构造方法创建 DatagramSocket 对象，创建数据报套接字，并将其绑定到指定的端口和指定的本地地址上。第三种构造函数适用于有多块网卡和多个 IP 地址的情况。 

UDP 网络程序设计

例：创建 UDP 协议广播电台程序，广播主机程序不断地向外播出信息。

 
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;
 
public class Notification extends Thread{
	String weather = "节日预报：八点有大型晚会，请收听";//发送的消息
	int port = 9898;//端口
	InetAddress iaddress = null;
	MulticastSocket socket = null;//多点广播套接字
	
	Notification(){
		try {
			iaddress = InetAddress.getByName("224.225.10.0");//广播组地址
			socket = new MulticastSocket(port);//实例化多点广播套接字
			socket.setTimeToLive(1);//指定发送范围是本地网络
			socket.joinGroup(iaddress);//加入广播组
		}catch(IOException e) {
			e.printStackTrace();//输出异常信息
		}
	}
	
	public void run() {	
		while(true) {
			DatagramPacket packet = null;//数据包
			byte data[] = weather.getBytes();///字符串消息的字节数组
			packet = new DatagramPacket(data,data.length,iaddress,port); //将数据打包
			System.out.println(weather);//控制台打印消息
			try {
				socket.send(packet);//发送数据
				sleep(3000);//线程休眠
			}catch(IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}catch(InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
			}
		}
	}
 
	public static void main(String[] args) {
		Notification w = new Notification();
		w.start();//启动线程
	}
 
}

运行结果：

接收广播程序。代码如下：

 
import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Color;
import java.awt.GridLayout;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;
 
import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JPanel;
import javax.swing.JTextArea;
import javax.swing.WindowConstants;
 
public class Receive extends JFrame implements Runnable,ActionListener{
	int port;	//端口
	InetAddress group = null;	//广播组地址
	MulticastSocket socket = null;	//多点广播套接字对象
	JButton inceBtn = new JButton("开始接收");
	JButton stopBtn = new JButton("停止接收");
	JTextArea inceAr = new JTextArea(10,10);	//显示接收广播的文本域
	JTextArea inced = new JTextArea(10,10);
	Thread thread;
	boolean stop = false;	//停止接收信息状态
	
	public Receive() {
		setTitle("广播数据报");
		setDefaultCloseOperation(WindowConstants.EXIT_ON_CLOSE);
		thread = new Thread(this);
		inceBtn.addActionListener(this);	//绑定按钮ince的单击事件
		stopBtn.addActionListener(this);	//绑定按钮stop的单击事件
		inceAr.setForeground(Color.blue);	//指定文本域中文字的颜色
		JPanel north = new JPanel();
		north.add(inceBtn);	//将按钮添加到面板north上
		north.add(stopBtn);
		add(north,BorderLayout.NORTH);	//将north放置在窗体的上部
		JPanel center = new JPanel();	//创建面板对象center
		center.setLayout(new GridLayout(1,2));//设置面板布局
		center.add(inceAr);	//将文本域添加到面板上
		center.add(inced);
		add(center,BorderLayout.CENTER);	//设置面板布局
		validate();	//刷新
		port = 9898;	//设置端口号
		try {
			group = InetAddress.getByName("224.225.10.0");//指定接收地址
			socket = new MulticastSocket(port);	//绑定多点广播套接字
			socket.joinGroup(group);	//加入广播组
		}catch(IOException e) {
			e.printStackTrace();	//输出异常信息
		}
		setBounds(100,50,360,380);//设置布局
		setVisible(true);//将窗体设置为显示状态
	}
	
	public void run() {	//run()方法
		while(!stop) {
			byte data[] = new byte[1024];//创建缓存字节数组
			DatagramPacket packet = null;
			packet = new DatagramPacket(data,data.length,group,port);//待接收的数据包
			try {
				socket.receive(packet);//接收数据包
				//获取数据包中的内容
				String message = new String(packet.getData(),0,packet.getLength());
				inceAr.setText("正在接收的内容：\n"+message);//将接收内容显示在文本域中
				inced.append(message+"\n");//每一条信息为一行
			}catch(IOException e) {
				e.printStackTrace();//输出异常信息
			}
		}
	}
 
	@Override
	public void actionPerformed(ActionEvent e) {	//单击按钮ince触发的事件
		if(e.getSource() == inceBtn) {
		inceBtn.setBackground(Color.red);	//设置按钮颜色
		stopBtn.setBackground(Color.yellow);
		if(!(thread.isAlive())) {	//如线程不处于”新建状态“
			thread = new Thread(this);	//实例化Thread对象
		}
		thread.start();	//启动线程
		stop = false;	//开始接收信息
	}
		if(e.getSource() == stopBtn) {	//单击按钮stop触发的事件
			inceBtn.setBackground(Color.yellow);	//设置按钮颜色
			stopBtn.setBackground(Color.red);
			stop = true;	//停止接收信息
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		Receive rec = new Receive();
		rec.setSize(460,200);
	}
 
}

运行结果：