Java高级：网络编程

笔记来源：尚硅谷Java入门视频教程(在线答疑+Java面试真题)

一 网络编程概述

• Java是 Internet 上的语言，它从语言级上提供了对网络应用程序的支持，程序员能够很容易开发常见的网络应用程序。

• Java提供的网络类库，可以实现无痛的网络连接，联网的底层细节被隐藏在 Java 的本机安装系统里，由 JVM 进行控制。并且 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。

• 计算机网络：把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息、共享硬件、软件、数据信息等资源。

• 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。

• 网络编程中有两个主要的问题：

  • 准确定位：如何准确地定位网络上一台或多台主机；定位主机上的特定的应用

  • 高效传输：找到主机后如何可靠高效地进行数据传输

二 网络通信要素概述

2.1 如何实现网络中主机的通信

• 通信双方地址

  • IP

  • 端口号

• 一定的规则：通信协议。计算机只认识二进制数，通信时传输的数据也是二进制数，网络模型和协议的作用就是通过制定一定的规则，将底层的二进制数进行“翻译”，翻译成上层开发者能够操作的信息。

  • 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)：事实上的国际标准通信协议

2.2 网络模型和通信协议

三 通信要素：IP和端口号

3.1 IP地址

• IP 地址：InetAddress

• 唯一的标识 Internet 上的计算机（通信实体）

• 本地回环地址(hostAddress)：127.0.0.1 主机名(hostName)：localhost

• IP地址分类方式1：IPV4 和 IPV6

• 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)。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

3.2 端口号

• 端口号标识正在计算机上运行的进程。并不是每个软件都要占用一个端口，只有那些在与外网的主机进行通信的进程才会占用一个端口。
• 不同的进程有不同的端口号，端口号被规定为一个16位的二进制整数，范围为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。

3.3 套接字Socket

• 端口号与IP地址的组合得出一个网络套接字：Socket
• 通过Socket可以定位网络上任意一台主机的任意一个进程
• 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

3.4 域名解析器DNS

• Internet上的主机有两种方式表示地址：

  • 域名(hostName)：www.atguigu.com

  • IP 地址(hostAddress)：202.108.35.210

• InetAddress类主要表示IP地址，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：www.atguigu.com 和 202.108.35.210。

• 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)负责将域名解析成IP地址，这样才能和主机建立连接。

3.5 InetAddress类

• 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

代码演示

public void test() throws UnknownHostException {
    Inet4Address address = (Inet4Address) Inet4Address.getByName("www.baidu.com");
    // 对象所包含的域名
    System.out.println(address.getHostName());
    // 获取对象所包含的地址，必须联网使用
    System.out.println(address.getHostAddress());
    // 本机域名和IP地址
    System.out.println(Inet4Address.getLocalHost());
}

四 通信要素：网络协议

4.1 网络协议概述

• 网络通信协：议计算机网络中实现通信必须有一些约定，即通信协议，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。
• 通信协议分层的思想：网络通信的功能涉及很多方面，通过分层来简化各层的功能。在制定协议时，把复杂成份分解成一些简单的成份，再将它们复合起来。最常用的复合方式是层次方式，即同层间可以通信、上一层可以调用下一层，而与再下一层不发生关系。各层互不影响，利于系统的开发和扩展。

4.2 TCP/IP协议簇

• 传输层协议中有两个非常重要的协议：

  • 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)
    • 用户数据报协议UDP(User Datagram 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，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。

• IP(Internet Protocol)协议是网络层的主要协议，支持网间互连的数据通信。

• TCP/IP协议模型从更实用的角度出发，形成了高效的四层体系结构，即物理链路层、网络层、传输层和应用层。

4.3 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；传输后，采用“四次挥手“。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，故是不可靠的

  • 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

五 TCP网络编程

5.1 基于Socket的TCP编程

• Java语言的基于套接字编程分为服务端编程和客户端编程，其通信模型如图所示

  

• 客户端Socket的工作过程包含以下四个基本的步骤：

  • 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。
  • 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
  • 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Socke：断开客户端到服务器的连接，释放线路

5.2 客户端创建Socket对象

• 客户端程序可以使用Socket类创建对象，创建的同时会自动向服务器方发起连接。Socket的构造器是：

  • Socket(String host,int port)：向服务器(域名是host。端口号为port)发起TCP连接，若成功，则创建Socket对象，否则抛出异常。

  • Socket(InetAddress address,int port)：根据InetAddress对象所表示的IP地址以及端口号port发起连接，若成功，则创建Socket对象，否则抛出异常。

• 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

Socket s = new Socket("192.168.40.165", 9999);
OutputStream out = s.getOutputStream();
out.write("hello".getBytes());
s.close();

5.3 服务器建立ServerSocket对象

• 服务器程序的工作过程包含以下四个基本的步骤：
  • 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。
  • 调用accept()：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。
  • 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。
• 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

ServerSocket ss = new ServerSocket(9999);
Socket s = ss.accept ();
InputStream in = s.getInputStream();
byte[] buf = new byte[1024];
int num = in.read(buf);
String str = new String(buf, 0, num);
System.out.println(s.getInetAddress().toString()+":" + str);
s.close();
ss.close();

六 UDP网络编程

6.1 UDP网络通信

• 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。

6.2 DatagramSocket类常用方法

• 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。

6.3 DatagramPacket类常用方法

• 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。

6.4 UDP通信流程

• UDP通信流程：

  1. DatagramSocket与DatagramPacket

  2. 建立发送端，接收端

  3. 建立数据包

  4. 调用Socket的发送、接收方法

  5. 关闭Socket

• 发送端与接收端是两个独立的运行程序

代码演示

// 发送端
DatagramSocket ds = null;
try {
    ds = new DatagramSocket();
    byte[] by = "hello,atguigu.com".getBytes();
    DatagramPacket dp = new DatagramPacket(by, 0, by.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 10000);
    ds.send(dp);
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    if (ds != null)
        ds.close();
}

// 接收端
DatagramSocket ds = null;
try {
    // 指定要监听的端口
    ds = new DatagramSocket(10000);
    byte[] by = new byte[1024];
    DatagramPacket dp = new DatagramPacket(by, by.length);
    ds.receive(dp);
    String str = new String(dp.getData(), 0, dp.getLength());
    System.out.println(str + "--" + dp.getAddress());
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    if (ds != null)
        ds.close();
}

七 URL编程

7.1 URL类

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

• 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。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：

  • <传输协议>://<主机名>:<端口号>/<文件名>#片段名?参数列表

    例如: http://192.168.1.100:8080/helloworld/index.jsp#a?username=shkstart&password=123

  • #片段名：即锚点，例如看小说，直接定位到章节

  • 参数列表格式：参数名=参数值&参数名=参数值…

7.2 URL构造器

• 为了表示URL，java.net 中实现了类 URL。我们可以通过下面的构造器来初始化一个URL对象：

  • 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.atguigu.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：new URL(“http”, “www.atguigu.com”, “download.html”)

  • public URL(String protocol, String host, int port, String file)

    例如: URL gamelan = new URL(“http”, “www.atguigu.com”, 80, “download.html”)

• URL类的构造器都声明抛出非运行时异常，必须要对这一异常进行处理，通常是用try-catch语句进行捕获

7.3 URL类的常用方法

• 一个URL对象生成后，其属性是不能被改变的，但可以通过它给定的方法来获取这些属性：

  • 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

  • public String getQuery( ) 获取该URL的查询名

7.4 URLConnection类

• 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 Gateway Interface-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 。

• 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 netchinaren = new URL (“http://www.atguigu.com/index.shtml”);

  • URLConnectonn u = netchinaren.openConnection( );

• 通过URLConnection对象获取的输入流和输出流，即可以与现有的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 OutputStream getOutputStream( )throws IOException

7.5 URI、URL和URN的区别

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

八 小结

• 位于网络中的计算机具有唯一的IP地址，这样不同的主机可以互相区分。
• 客户端－服务器是一种最常见的网络应用程序模型。服务器是一个为其客户端提供某种特定服务的硬件或软件。客户机是一个用户应用程序，用于访问某台服务器提供的服务。端口号是对一个服务的访问场所，它用于区分同一物理计算机上的多个服务。套接字用于连接客户端和服务器，客户端和服务器之间的不同的通信会话使用不同的套接字。TCP协议用于实现面向连接的会话。
• Java 中有关网络方面的功能都定义在java.net程序包中。Java用InetAddress对象表示IP地址，该对象里有两个字段：主机名(String)和IP地址(int)。
• 类Socket和ServerSocket 实现了基于TCP协议的客户端－服务器程序。Socket是客户端和服务器之间的一个连接，连接创建的细节被隐藏了。这个连接提供了一个安全的数据传输通道，这是因为TCP 协议可以解决数据在传送过程中的丢失、损坏、重复、乱序以及网络拥挤等问题，它保证数据可靠的传送。
• 类URL和URLConnection提供了最高级网络应用。URL的网络资源的位置来同一表示Internet上各种网络资源。通过URL对象可以创建当前应用程序和URL表示的网络资源之间的连接，这样当前程序就可以读取网络资源数据，或者把自己的数据传送到网络上去。