java学习笔记：网络编程
第二部分 网络编程
一、基本概念介绍
1.网络三要素 :IP地址,端口,协议
TCP:Transmission Control Protocol 传输控制协议
IP:Internet Protocol 因特网互联协议
2.网络模型简介
TCP/IP协议组的层次结构 :
OSI（Open System Interconnection开放系统互连）参考模型 ：这个模型将网络的不同功能划分成为7层。
OSI参考模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
TCP/IP模型：网络接口、网络层、传输层、应用层。
应用层：如HTTP, FTP, DNS。作用：主要负责应用程序的协议，如HTTP协议，FTP协议等。主要是一些终端的应用。
传输层：如TCP, UDP。作用：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。
网络层：如IP, ICMP, IGMP。作用：网络层是整个TCP/IP协议的核心，它主要用于将传输的数据进行分组，将分组的数据发送到指定的计算机或者网络。
链路层：如驱动程序，接口。作用：链路层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、双绞线提供的驱动。
说明 :我们所讲的网络编程,主要涉及的是传输层的 TCP,UDP协议和网络层的 IP协议.
3.IP地址和端口号
IP地址可以唯一标识一台计算机,目前,IP地址广泛使用的版本是IPv4,他是由 4 个字节代表的二进制数来表示.比如: 11000000 10101000 00000000 00000001 192.168.0.1
由于二进制形式表示的IP地址非常不便于记忆和吃力,因此通常会将IP地址写成十进制的形式,每个字节用一个十进制数字表示,数字间用符号 .分开.比如: 192.168.0.1
IPv6使用 16 个字节表示 IP地址,它所拥有的地址容量约是IPv4的 8 * 10的28倍
在计算机中,不同的应用程序是通过端口号区分的.端口号是用两个字节 (16位的二进制数)表示的,它的取值是 0~65535,其中, 0~1023 之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用,(如:telnet占用端口23,HTTP占用端口80等)用户的普通应用程序需要使用 1024 以上的端口号,从而避免端口号冲突.
网络通信使用 IP地址标识网络中的一台计算机,使用端口号标识计算中的进程(程序).
进程号 :系统分配的.
端口号 :程序分配的.
一个进程中可以分配多个端口.
位于网络中的一台计算机可以通过IP地址去访问另一台计算机,并通过端口号访问目标计算机中的某一个应用程序.
查看ip地址的命令：ipconfig，然后找到IPv4地址这一栏，就是本机的ip地址了。
查看所有进程的ip地址和对应的端口：netstat -na
4.IP对象介绍
InetAddress类用来封装我们前面讲解的数字式IP地址和该地址的域名.你通过一个IP主机名与这个类发生作用,IP主机名比它的IP地址用起来更简单更容易理解.
InetAddress类内部隐藏了地址数字.
InetAddress类的工厂方法: (静态方法)
InetAddress类没有明显的构造方法,为生成一个InetAddress对象,必须运用一个可用的工厂方法.工厂方法仅是一个类中静态方法返回一个该类实例的约定,对于 InetAddress,三个方法 getLocalHost(), getByName() 以及 getAllByName() 可以用来创建 InetAddress的实例
java.lang.Object
|_ java.net.InetAddress
public class InetAddress extends Object implements Serializable//此类表示互联网协议(IP)地址。
static InetAddress getLocalHost()//返回本地主机
static InetAddress getByName(String host)//在给定主机名的情况下确定主机的IP地址。
static InetAddress getAllByName(String host)//在给定主机名的情况下，根据系统上配置的名称服务返回其IP地址所组成的数组。
在Internet上.用一个名称来代表多个机器是常用的事,getAllByName()方法返回代表由一个特殊名称分解的所有地址的InetAddress类数组.在不能把名称分解成至少一个地址时,它将引发一个UnknownHostException异常.
代码实现 :
import java.io.IOException;
import java.net.InetAddress;
public class Demo01 {
public static void main(String[] args) throws IOException{
//InetAddress类的基本演示
//1.getLocalHost
InetAddress localHost = InetAddress.getLocalHost();
System.out.println("本地的IP地址：" + localHost.getHostAddress());
System.out.println("本地主机的名称：" + localHost.getHostName());
//2.getByName()
InetAddress itcast = InetAddress.getByName("www.itcast.cn");
System.out.println(itcast);
//3.getAllByName()
InetAddress[] baidus = InetAddress.getAllByName("www.baidu.com");
for(InetAddress baidu : baidus){
System.out.println(baidu);
}
}
}
5.协议介绍
在所示的 TCP/IP结构时,提到传输层的两个重要的高级协议,分别是 UDP和 TCP协议,其中 UDP是 User Datagram Protocol 的简称,称为用户数据报协议,TCP是 Transmission Control Protocol 的简称,称为传输控制协议.
(1)UDP 用户数据报协议
UDP是无连接通信协议,即在数据传输时,发送端和接收端不建立逻辑连接.简单来说,当一台计算机向另外一台计算机发送数据时,发送端不会确认接收端是否存在,就会发出数据.同样接收端在接收数据时,也不会向发送端反馈是否收到数据.由于使用 UDP协议消耗资源小,通信效率高,所以通常都会用于音频,视频和普通数据的传输,例如视频会议都使用UDP协议,因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包,也不会对接收结果产生太大影响.但是在使用 UDP协议传送数据时,由于UDP面向无连接,不能保证数据的完整性,因此在传输重要数据时不建议使用 UDP协议.
特点 :两端都相同,可以发送数据,同时也可以接收数据.无明显的差异.
(2)TCP传输控制协议
TCP协议是面向连接的通信协议,即在传输数据前先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.在TCP连接中必须要明确客户端和服务器端, 每次连接的创建都需要经过 `三次握手`,第一次握手,客户端向服务端发出连接请求,等待服务器确认;第二次握手,服务器向客户端回送一个响应,通知客户端收到了连接请求;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.
由于TCP协议的面向连接性,它可以保证传输数据的安全性,所以是一个被广泛采用的协议,例如在下载文件时,如果数据接收不完整,将会导致文件数据丢失而不能打开,因此,下载文件时必须采用TCP协议.
(3)两种传输协议的简单对比
1_使用UDP时,每个数据包中都给出了完整的地址信息,因此不需要建立发送方和接收方法的连接.
2_对于 TCP协议,由于它是一个面向连接的协议,在Socket之间进行数据传输之前必然要建立连接.所以在TCP中多了一个连接的建立时间.
3_使用UDP传输数据时是有大小限制的,每个被传输的数据报必须限定在 64KB之内.
4_TCP没有这方面的限制,一旦连接建立起来,双方的socket就可以按统一的格式传输大量的数据.
5_UDP是一个不可靠的协议,发送方所发送的数据报不一定以相同的次序到达接收方.
6_TCP是一个可靠的协议,它确保接收方完全正确地获取发送方所发送的全部数据.
UDP 无连接,效率高.
TCP有连接,安全高.
6.套接字 (Socket)
Socket是连接运行在网络上的两个程序间的双向通讯的端点. 可以理解为套接字就是由端口号与IP地址的组合得出一个网络套接字.
TCP通信是严格区分客户端和服务器端的,在通信时,必须先由客户端去连接服务器端才能实现通信,服务器端不可以主动连接客户端,并且服务器端程序需要事先启动,等待客户端的连接.
在JDK中提供了两个类用于实现TCP程序,一个是 ServerSocket类.用于表示服务器端,一个是Socket类,用于表示客户端.通信时,首先创建代表服务器端的ServerSocket对象,该对象相当于开启一个服务,并等待客户端的连接,然后创建代表客户端的Socket对象,向服务器端发送连接请求,服务器端响应请求.两者建立连接开始通信.
(1)ServerSocket 服务器套接字
在开发TCP程序时,首先需要创建服务器端程序,JDK的java.net包中提供了一个ServerSocket类,该类的实例对象可以实现一个服务器端的程序.
java.lang.Object
|_java.net.ServerSocket
直接已知子类：SSLServerSocket
public class ServerSocket extends Object//此类实现服务器套接字。服务器套接字等待请求通过网络传入。它基于该请求执行某些操作，然后可能向请求者返回结果。
构造方法：ServerSocket(int port)//创建绑定到特定端口的服务器套接字
ServerSocket使用该构造方法在创建对象时,就可以将其绑定到一个指定的端口号上.端口号可以指定为0,此时系统就会分配一个还没有被其它网络程序所使用的端口号,由于客户端需要指定的端口号来访问服务器端程序,因此端口号随机分配的情况并不常用,通常都会让服务器端程序监听一个指定的端口号.
Socket accept()//真挺并接受到此套接字的连接。
InetAddress getInetAddress()//返回此服务器套接字的本地地址
void close()// 关闭此套接字
ServerSocket对象负责监听某台计算机的某个端口号,在创建ServerSocket对象后,需要继续调用该对象的accept()方法,接收来自客户端的请求,当执行了accept()方法之后,服务器端程序会发生阻塞,直到客户端发出连接请求,accept()方法才会返回一个Socket对象用于和客户端实现通信,程序才能继续向下执行.
(2)Socket 客户端套接字
ServerSocket对象可以实现服务器端程序,但只实现服务器端程序还不能完成通信,此时还需要一个客户端程序与之交互,为此,JDK提供了一个Socket类,用于实现TCP客户端程序.
java.lang.Object
|_java.net.Socket
直接已知子类：SSLSocket
public class Socket extends Object//此类实现客户端套接字（也可以就叫“套接字”）。套接字是两台机器间通信的断点。
构造方法：
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(String host, int port);使用该构造方法在创建Socket对象时,会根据参数去连接在指定地址和端口上运行的服务器程序,其中参数host接收的是一个字符串类型的IP地址.
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。
Socket(InetAddressaddress, int port);该方法和上面这个构造方法类似,参数address用于接收一个InetAddress类型的对象,该对象用于封装一个IP地址.
void close()//关闭此套接字
InetAddress getInetAddress()//返回套接字连接的地址
int getPort()//返回此套接字连接到的远程端口
InputStream getInputStream()//返回此套接字的输入流
OutputStream getOutputStream()//返回此套接字的输出流
在方法摘要中,getInputStrean() 和 getOutputStream() 方法分别用于获取输入流和输出流,当客户端和服务端建立连接后,数据是以 IO流的形式进行交互的,从而实现通信.
void shutdownInput()//此套接字的输入流置于“流的末尾”
void shutdownOutput()//禁用此套接字的输出流
(3)简单的TCP网络程序
见文件：客户端和服务器端的通信图.png
TCP服务端代码 :
//file name: TCPServerDemo.java
//TCP服务端代码
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.Date;
public class TCPServerDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception{
//1.创建服务端
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
//2.等待客户端的连接
Socket socket = serverSocket.accept();
//3.解析客户端的内容
//3.1 获取IP地址
String ip = socket.getInetAddress().getHostAddress();
//3.2 获取客户端输入的内容
InputStream in = socket.getInputStream();
int len;
byte[] buf = new byte[1024];
while((len = in.read(buf)) != -1){
System.out.println(ip + "(" + new Date().toLocaleString() + ")");
String str = new String(buf, 0, len);
System.out.println(str);
}
//5. 给客户端返回内容
OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write("身体还硬朗，就是想出去走走！".getBytes());
socket.shutdownOutput();
//4. 关闭服务端
serverSocket.close();
}
}
//file name: TCPClientDemo.java
//TCP客户端代码
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
public class TCPClientDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception{
//1.建立客户端
Socket socket = new Socket("localhost", 8888);
//2.给服务端输出内容
OutputStream out = socket.getOutputStream();
out.write("我是客户端，您最近还好吗？".getBytes());
socket.shutdownOutput();
//4.获取服务端返回的内容
InputStream in = socket.getInputStream();
int len;
byte[] buf = new byte[1024];
while((len = in.read(buf)) != -1){
String str = new String(buf, 0, len);
System.out.println("服务端返回内容：" + str);
}
//3.关闭客户端
socket.close();
}
}
重点说明 :向socket通道中发送完毕数据后需要调用Socket的shutdownOutput() 方法关闭客户端的输出流.需要注意的是,shutdownOutput() 方法非常重要,因为服务器端程序在while循环中读取客户端发送的数据,当读取到 -1 时才会结束循环,如果在客户端不调用 shutdownOutput() 方法关闭输出流,服务器端就不会读到 -1,而会一直执行while循环,同时客户端读取服务器端数据的read(byte[] buf); 方法也是一个阻塞方法,这样服务器端和客户端程序就进入了一个 `死锁`状态,两个程序都不能结束.
