Java基础（九）——网络编程 Craftsman

一、概述

1、介绍

　　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。
　　网络编程的目的：直接或间接的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：①如何准确的定位网络上一台或多台主机，定位主机上的特定的应用。②找到主机后如何可靠高效的进行数据传输。

2、通信要素

　　如何实现网络中的主机相互通信？
　　通信双方地址：IP、端口号。
　　网络通信协议：①OSI参考模型，模型过于理想化，未能在因特网上进行广泛推广。②TCP/IP参考模型，事实上的国际标准。

OSI参考模型	TCP/IP参考模型	TCP/IP各层对应协议
应用层	应用层	HTTP、FTP、Telnet、DNS……
表示层		HTTP、FTP、Telnet、DNS……
会话层		HTTP、FTP、Telnet、DNS……
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	Link
物理层

3、IP和端口号

　　IP地址：在Java中使用 InetAddress 类代表IP。是 Internet 上的计算机的唯一标识；本机地址：127.0.0.1，主机名：localhost。
　　分类方式1：IPV4 和 IPV6。
　　IPV4：4个字节（32位），4个0~255，大概42亿，30亿在北美，4亿在亚洲，2011年初已经用尽。以点分十进制表示，如192.168.0.1。
　　IPV6：16个字节（128位），8个无符号整数，每个整数用4个十六进制位表示，如：3ffe:3201:1401:1280:c8ff:fe4d:db39:1984。
　　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。
　　特点：不易记忆。
　　端口号：标识正在计算机上运行的进程（程序），不同的进程有不同的端口号，被规定为一个 16 位的整数 0~65535。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。
　　简单的说：IP地址 + 端口号的形式，指明了哪台主机（IP）下的哪个应用程序（端口号）。得出一个网络套接字：Socket。

4、InetAddress

　　Internet上的主机有两种表示地址的方式，域名（hostName）：www.baidu.com，IP 地址（hostAddress）：14.215.177.38。类比与地址北京与经纬度的关系。
　　代码示例：InetAddress 类的使用

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取本地ip
            InetAddress inet1 = InetAddress.getLocalHost();
            System.out.println(inet1); // DESKTOP-96KNUJ6/192.*.*.81
            System.out.println(inet1.getHostName()); // DESKTOP-96KNUJ6
            System.out.println(inet1.getHostAddress()); // 192.*.*.81

            // 获取百度
            InetAddress inet2 = InetAddress.getByName("www.baidu.com");
            System.out.println(inet2); // www.baidu.com/14.215.177.38
            System.out.println(inet2.getHostName()); // www.baidu.com
            System.out.println(inet2.getHostAddress()); // 14.215.177.38

        } catch (UnknownHostException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　域名解析：域名容易记忆，但在连接网络时输入一个主机的域名后，计算机并不知道这是什么，需要一个域名服务器（DNS）负责将域名转化成IP地址，这样才能找到网络上的主机，与之建立连接。

二、网络协议

1、介绍

　　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。
　　问题：网络协议太复杂，计算机网络通信涉及内容很多，比如指定源地址和目标地址，加密解密，压缩解压缩，差错控制，流量控制，路由控制，如何实现如此复杂的网络协议呢？
　　通信协议分层的思想：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。

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、IP层、传输层和应用层。

3、TCP、UDP

　　TCP 协议：使用 TCP 协议前，须先建立 TCP 连接，采用"三次握手"方式，点对点通信，是可靠的。形成传输数据通道；使用 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；发送方不管对方是否准备好，接收方是否收到也不确认，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。

4、Socket

　　Socket：网络上具有唯一标识的IP地址和端口号组合在一起才能构成唯一能识别的标识符套接字。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。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。
　　public void close()：关闭流套接字。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此方法后，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此方法后，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、网络编程

1、介绍

　　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：

2、TCP网络编程

　　代码示例：客户端发送信息给服务端，服务端将数据显示在控制台上。

// 客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (// 1.创建Socket对象,指明服务器端的ip和端口号
             Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8899);
             // 2.创建一个输出流,往里面写入数据
             OutputStream os = socket.getOutputStream();) {

            os.write("你好，我是客户端mm".getBytes());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
    
// 服务端
public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try (// 1.开启服务器，监听端口号8899
             ServerSocket ss = new ServerSocket(8899);
             // 2.监听连接请求.阻塞式
             Socket socket = ss.accept();

             InputStream is = socket.getInputStream();
             // 读取输入流中的数据,将全部读取的字节存入 ByteArrayOutputStream
             ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();) {


            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = is.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, len);
            }

            System.out.println(baos.toString());
            System.out.println("收到了来自于：" + socket.getInetAddress().getHostAddress() + "的数据");
        } catch (Exception e) {
        }
    }
}

　　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。
　　注意：先启动运行服务端，再启动客户端去连。如果，先启动客户端，那么客户端会尝试去连接服务器，报以下异常。这也说明TCP是面向连接的。

　　java.net.ConnectException: Connection refused: connect

　　代码示例：客户端发送文件给服务端，服务端保存在本地。

// 客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (// 1.创建Socket对象,指明服务器端的ip和端口号
             Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8899);
             // 2.创建一个输出流,往里面写入数据
             OutputStream os = socket.getOutputStream();

             FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("F:\\hello.JPG"));) {

         // 读入的缓冲区
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = fis.read(buffer)) != -1) {
                os.write(buffer, 0, len);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 服务端
public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try (// 1.开启服务器，监听端口号8899
             ServerSocket ss = new ServerSocket(8899);
             // 2.监听连接请求.阻塞式
             Socket socket = ss.accept();

             InputStream is = socket.getInputStream();
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("F:\\hello_1.JPG"));) {


            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = is.read(buffer)) != -1) {
                fos.write(buffer, 0, len);
            }

            System.out.println("----接收图片完成----");
        } catch (Exception e) {
        }
    }
}

　　代码示例：客户端发送文件给服务端，服务端保存在本地。并返回"接收成功"给客户端。关闭相应的连接。

// 客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (// 1.创建Socket对象,指明服务器端的ip和端口号
             Socket socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8899);
             // 2.创建一个输出流,往里面写入数据
             OutputStream os = socket.getOutputStream();

             FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("F:\\hello.JPG"));) {


            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = fis.read(buffer)) != -1) {
                os.write(buffer, 0, len);
            }

            // 关闭数据的输出,表明发送数据完成.否则这个程序服务端在while(true)出不来
            socket.shutdownOutput();


            try (// 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[1024];
                int len1;
                while ((len1 = is.read(bufferr)) != -1) {
                    baos.write(bufferr, 0, len1);
                }

                System.out.println(baos.toString());
            } finally {
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 服务端
public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try (// 1.开启服务器，监听端口号8899
             ServerSocket ss = new ServerSocket(8899);
             // 2.监听连接请求.阻塞式
             Socket socket = ss.accept();

             InputStream is = socket.getInputStream();
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("F:\\hello_1.JPG"));) {


            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = is.read(buffer)) != -1) {
                fos.write(buffer, 0, len);
            }

            System.out.println("----接收图片完成----");

            // 服务器端给予客户端反馈
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            os.write("你好,客户端,照片已收到.".getBytes());
        } catch (Exception e) {
        }
    }
}

3、浏览器访问Tomcat资源

　　将资源放在此目录下，启动Tomcat，通过浏览器地址访问。
　　http://localhost:8080/examples/hel.txt
　　http://localhost:8080/examples/beauty.jpg

4、UDP网络编程

　　类 DatagramSocket 和 DatagramPacket 实现了基于UDP协议网络程序。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。
　　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。
　　代码示例：

// 发送端
public class Sender {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "以UDP方式发送的数据~";
        byte[] data = s.getBytes();

        try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket();) {

            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, 0, data.length, InetAddress.getLocalHost(), 9090);

            // 发送这个包
            socket.send(packet);

        } catch (Exception e) {
        }
    }
}

// 接收端
public class Receiver {
    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramSocket socket = new DatagramSocket(9090);) {

            byte[] buffer = new byte[1024];
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buffer, 0, buffer.length);

            socket.receive(packet);

            System.out.println(new String(packet.getData(), 0, packet.getLength()));
        } catch (Exception e) {
        }
    }
}

　　注意：可以直接启动发送端，UDP是面向无连接的。

四、URL编程

1、介绍

　　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 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：

　　http://localhost:8080/examples/beauty.jpg?username=Tom
　传输协议 主机名 端口号       资源地址                参数列表

2、API

　　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。

　　代码示例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            URL url = new URL("https://localhost:8080/examples/beauty.jpg?username=Tom");

            System.out.println(url.getProtocol());
            System.out.println(url.getHost());
            System.out.println(url.getPort());
            System.out.println(url.getPath());
            System.out.println(url.getFile());
            System.out.println(url.getQuery());
        } catch (MalformedURLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 结果
https
localhost
8080
/examples/beauty.jpg
/examples/beauty.jpg?username=Tom
username=Tom

3、URLConnection

　　针对 HTTP 协议的 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。
　　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。
　　代码示例：URL网络编程实现Tomcat服务端数据下载

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            URL url = new URL("http://localhost:8080/examples/hello.JPG");
            // 1.建立连接
            HttpURLConnection urlConnection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
            urlConnection.connect();

            InputStream is = urlConnection.getInputStream();

            // 2.下载资源
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("F:\\temp.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");

            // 3.关闭连接
            is.close();
            fos.close();
            urlConnection.disconnect();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}