java 学习笔记-网络编程（八）
网络编程
标签：学习各种网络协议的桥梁
什么是计算机网络
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计算机网络的作用：资源共享和信息传递。
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计算机网络的组成：
a) 计算机硬件：计算机(大中小型服务器，台式机、笔记本等)、外部设备(路由器、交换机等)、通信线路(双绞线、光纤等)。
b) 计算机软件：网络操作系统(Windows 2000 Server/Advance Server、Unix、Linux等)、网络管理软件(WorkWin、SugarNMS等)、网络通信协议(如TCP/IP协议栈等)。
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计算机网络的多台计算机是具有独立功能的，而不是脱离网络就无法存在的。
什么是网络通信协议?
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通过计算机网络可以实现不同计算机之间的连接与通信，但是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。就像两个人想要顺利沟通就必须使用同一种语言一样，如果一个人只懂英语而另外一个人只懂中文，这样就会造成没有共同语言而无法沟通。
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国际标准化组织(ISO，即International Organization for Standardization)定义了网络通信协议的基本框架，被称为OSI(Open System Interconnect，即开放系统互联)模型。要制定通讯规则，内容会很多，比如要考虑A电脑如何找到B电脑，A电脑在发送信息给B电脑时是否需要B电脑进行反馈，A电脑传送给B电脑的数据格式又是怎样的?内容太多太杂，所以OSI模型将这些通讯标准进行层次划分，每一层次解决一个类别的问题，这样就使得标准的制定没那么复杂。OSI模型制定的七层标准模型，分别是：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。
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OSI七层协议模型如图12-1所示：
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虽然国际标准化组织制定了这样一个网络通信协议的模型，但是实际上互联网通讯使用最多的网络通信协议是TCP/IP网络通信协议。
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TCP/IP 是一个协议族，也是按照层次划分，共四层：应用层，传输层，互连网络层，网络接口层(物理+数据链路层)。
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那么TCP/IP协议和OSI模型有什么区别呢?OSI网络通信协议模型，是一个参考模型，而TCP/IP协议是事实上的标准。TCP/IP协议参考了OSI 模型，但是并没有严格按照OSI规定的七层标准去划分，而只划分了四层，这样会更简单点，当划分太多层次时，你很难区分某个协议是属于哪个层次的。TCP/IP协议和OSI模型也并不冲突，TCP/IP协议中的应用层协议，就对应于OSI中的应用层，表示层，会话层。就像以前有工业部和信息产业部，现在实行大部制后只有工业和信息化部一个部门，但是这个部门还是要做以前两个部门一样多的事情，本质上没有多大的差别。TCP/IP中有两个重要的协议，传输层的TCP协议和互连网络层的IP协议，因此就拿这两个协议做代表，来命名整个协议族了，再说TCP/IP协议时，是指整个协议族。
3、网络协议的分层
由于网络结点之间联系很复杂，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。
把用户应用程序作为最高层，把物理通信线路作为最低层，将其间的协议处理分为若干层，规定每层处理的任务，也规定每层的接口标准。
ISO模型与TCP/IP模型的对应关系如图12-2所示。
数据封装与解封
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由于用户传输的数据一般都比较大，有的可以达到MB字节，一次性发送出去十分困难，于是就需要把数据分成许多片段，再按照一定的次序发送出去。这个过程就需要对数据进行封装。
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数据封装(Data Encapsulation)是指将协议数据单元(PDU)封装在一组协议头和协议尾中的过程。在OSI七层参考模型中，每层主要负责与其它机器上的对等层进行通信。该过程是在协议数据单元(PDU)中实现的，其中每层的PDU一般由本层的协议头、协议尾和数据封装构成。
1.数据发送处理过程
(1). 应用层将数据交给传输层，传输层添加上TCP的控制信息(称为TCP头部)，这个数据单元称为段(Segment)，加入控制信息的过程称为封装。然后，将段交给网络层。
(2). 网络层接收到段，再添加上IP头部，这个数据单元称为包(Packet)。然后，将包交给数据链路层。
(3). 数据链路层接收到包，再添加上MAC头部和尾部，这个数据单元称为帧(Frame)。然后，将帧交给物理层。
(4). 物理层将接收到的数据转化为比特流，然后在网线中传送。
2.数据接收处理过程
(1). 物理层接收到比特流，经过处理后将数据交给数据链路层。
(2).数据链路层将接收到的数据转化为数据帧，再除去MAC头部和尾部，这个除去控制信息的过程称为解封，然后将包交给网络层。
(3). 网络层接收到包，再除去IP头部，然后将段交给传输层。
(4). 传输层接收到段，再除去TCP头部，然后将数据交给应用层。
从以上传输过程中，可以总结出以下规则：
(1)发送方数据处理的方式是从高层到底层，逐层进行数据封装。
(2)接收方数据处理的方式是从底层到高层，逐层进行数据解封装。
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接收方的每一层只把对该层有意义的数据拿走，或者说每一层只能处理发送方同等层的数据，然后把其余的部分传递给上一层，这就是对等层通信的概念。
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数据封装与解封如图12-3和图12-4所示：
IP地址：
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用来标识网络中的一个通信实体的地址。通信实体可以是计算机、路由器等。 比如互联网的每个服务器都要有自己的IP地址，而每个局域网的计算机要通信也要配置IP地址。路由器是连接两个或多个网络的网络设备。
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目前主流使用的IP地址是IPV4，但是随着网络规模的不断扩大，IPV4面临着枯竭的危险，所以推出了IPV6。
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IPV4：32位地址，并以8位为一个单位，分成四部分，以点分十进制表示，如192.168.0.1。因为8位二进制的计数范围是00000000---11111111，对应十进制的0-255，所以-4.278.4.1是错误的IPV4地址。
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IPV6：128位(16个字节)写成8个16位的无符号整数，每个整数用四个十六进制位表示，每个数之间用冒号(：)分开，如：
3ffe:3201:1401:1280:c8ff:fe4d:db39:1984
端口
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IP地址用来标识一台计算机，但是一台计算机上可能提供多种网络应用程序，如何来区分这些不同的程序呢?这就要用到端口。
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端口是虚拟的概念，并不是说在主机上真的有若干个端口。通过端口，可以在一个主机上运行多个网络应用程序。 端口的表示是一个16位的二进制整数，对应十进制的0-65535。
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Oracle、MySQL、Tomcat、QQ、msn、迅雷、电驴、360等网络程序都有自己的端口。
总结:
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IP地址好比每个人的地址(门牌号)，端口好比是房间号。必须同时指定IP地址和端口号才能够正确的发送数据。
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IP地址好比为电话号码，而端口号就好比为分机号。
URL
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在www上，每一信息资源都有统一且唯一的地址，该地址就叫URL(Uniform Resource Locator)，它是www的统一资源定位符。URL由4部分组成：协议 、存放资源的主机域名、资源文件名和端口号。如果未指定该端口号，则使用协议默认的端口。例如http 协议的默认端口为 80。 在浏览器中访问网页时，地址栏显示的地址就是URL。
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在java.net包中提供了URL类，该类封装了大量复杂的涉及从远程站点获取信息的细节。
socket
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我们开发的网络应用程序位于应用层，TCP和UDP属于传输层协议，在应用层如何使用传输层的服务呢?在应用层和传输层之间，则是使用套接Socket来进行分离。
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套接字就像是传输层为应用层开的一个小口，应用程序通过这个小口向远程发送数据，或者接收远程发来的数据;而这个小口以内，也就是数据进入这个口之后，或者数据从这个口出来之前，是不知道也不需要知道的，也不会关心它如何传输，这属于网络其它层次工作。
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Socket实际是传输层供给应用层的编程接口。Socket就是应用层与传输层之间的桥梁。使用Socket编程可以开发客户机和服务器应用程序，可以在本地网络上进行通信，也可通过Internet在全球范围内通信。
TCP协议和UDP协议的联系和区别
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TCP协议和UDP协议是传输层的两种协议。Socket是传输层供给应用层的编程接口，所以Socket编程就分为TCP编程和UDP编程两类。
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在网络通讯中，TCP方式就类似于拨打电话，使用该种方式进行网络通讯时，需要建立专门的虚拟连接，然后进行可靠的数据传输，如果数据发送失败，则客户端会自动重发该数据。而UDP方式就类似于发送短信，使用这种方式进行网络通讯时，不需要建立专门的虚拟连接，传输也不是很可靠，如果发送失败则客户端无法获得。
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这两种传输方式都在实际的网络编程中使用，重要的数据一般使用TCP方式进行数据传输，而大量的非核心数据则可以通过UDP方式进行传递，在一些程序中甚至结合使用这两种方式进行数据传递。
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由于TCP需要建立专用的虚拟连接以及确认传输是否正确，所以使用TCP方式的速度稍微慢一些，而且传输时产生的数据量要比UDP稍微大一些。
总结
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TCP是面向连接的，传输数据安全，稳定，效率相对较低。
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UDP是面向无连接的，传输数据不安全，效率较高。
Tcp协议
TCP(Transfer Control Protocol)是面向连接的，所谓面向连接，就是当计算机双方通信时必需经过先建立连接，然后传送数据，最后拆除连接三个过程。
TCP在建立连接时又分三步走：
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第一步，是请求端(客户端)发送一个包含SYN即同步(Synchronize)标志的TCP报文，SYN同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号。
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第二步，服务器在收到客户端的SYN报文后，将返回一个SYN+ACK的报文，表示客户端的请求被接受，同时TCP序号被加一，ACK即确认(Acknowledgement)。
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第三步，客户端也返回一个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加一，到此一个TCP连接完成。然后才开始通信的第二步：数据处理。
这就是所说的TCP的三次握手(Three-way Handshake)。
UDP协议
基于TCP协议可以建立稳定连接的点对点的通信。这种通信方式实时、快速、安全性高，但是很占用系统的资源。
在网络传输方式上，还有另一种基于UDP协议的通信方式，称为数据报通信方式。在这种方式中，每个数据发送单元被统一封装成数据报包的方式，发送方将数据报包发送到网络中，数据报包在网络中去寻找它的目的地。
Java网络编程
Java为了可移植性，不允许直接调用操作系统，而是由java.net包来提供网络功能。Java虚拟机负责提供与操作系统的实际连接。下面我们来介绍几个java.net包中的常用的类。
InetAddress
作用：封装计算机的IP地址和DNS(没有端口信息)。
注：DNS是Domain Name System，域名系统。
- 特点：这个类没有构造方法。如果要得到对象，只能通过静态方法：getLocalHost()、getByName()、 getAllByName()、 getAddress()、getHostName()。
InetSocketAddress
作用：包含IP和端口信息，常用于Socket通信。此类实现 IP 套接字地址(IP 地址 + 端口号)，不依赖任何协议。
URL
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IP地址唯一标识了Internet上的计算机，而URL则标识了这些计算机上的资源。类 URL 代表一个统一资源定位符，它是指向互联网“资源”的指针。资源可以是简单的文件或目录，也可以是对更为复杂的对象的引用，例如对数据库或搜索引擎的查询。
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为了方便程序员编程，JDK中提供了URL类，该类的全名是java.net.URL，有了这样一个类，就可以使用它的各种方法来对URL对象进行分割、合并等处理。
基于TCP协议的Socket编程和通信
- 在网络通讯中，第一次主动发起通讯的程序被称作客户端(Client)程序，简称客户端，而在第一次通讯中等待连接的程序被称作服务器端(Server)程序，简称服务器。一旦通讯建立，则客户端和服务器端完全一样，没有本质的区别。
“请求-响应”模式：
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Socket类：发送TCP消息。
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ServerSocket类：创建服务器。
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套接字是一种进程间的数据交换机制。这些进程既可以在同一机器上，也可以在通过网络连接的不同机器上。换句话说，套接字起到通信端点的作用。单个套接字是一个端点，而一对套接字则构成一个双向通信信道，使非关联进程可以在本地或通过网络进行数据交换。一旦建立套接字连接，数据即可在相同或不同的系统中双向或单向发送，直到其中一个端点关闭连接。套接字与主机地址和端口地址相关联。主机地址就是客户端或服务器程序所在的主机的IP地址。端口地址是指客户端或服务器程序使用的主机的通信端口。
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在客户端和服务器中，分别创建独立的Socket，并通过Socket的属性，将两个Socket进行连接，这样，客户端和服务器通过套接字所建立的连接使用输入输出流进行通信。
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TCP/IP套接字是最可靠的双向流协议，使用TCP/IP可以发送任意数量的数据。
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实际上，套接字只是计算机上已编号的端口。如果发送方和接收方计算机确定好端口，他们就可以通信了。
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如图12-6所示为客户端与服务器端的通信关系图：
TCP/IP通信连接的简单过程：
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位于A计算机上的TCP/IP软件向B计算机发送包含端口号的消息，B计算机的TCP/IP软件接收该消息，并进行检查，查看是否有它知道的程序正在该端口上接收消息。如果有，他就将该消息交给这个程序。
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要使程序有效地运行，就必须有一个客户端和一个服务器。
通过Socket的编程顺序：
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创建服务器ServerSocket，在创建时，定义ServerSocket的监听端口(在这个端口接收客户端发来的消息)。
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ServerSocket调用accept()方法，使之处于阻塞状态。
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创建客户端Socket，并设置服务器的IP及端口。
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客户端发出连接请求，建立连接。
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分别取得服务器和客户端Socket的InputStream和OutputStream。
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利用Socket和ServerSocket进行数据传输。
-
关闭流及Socket。
TCP：单向通信Socket之服务器端
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* 最简单的服务器端代码
* @author Administrator
*/
public class BasicSocketServer {
public static void main(String[] args) {
Socket socket = null;
BufferedWriter bw = null;
try {
// 建立服务器端套接字：指定监听的接口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("服务端建立监听");
// 监听，等待客户端请求，并愿意接收连接
socket = serverSocket.accept();
// 获取socket的输出流，并使用缓冲流进行包装
bw = new BufferedWriter(new
OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
// 向客户端发送反馈信息
bw.write("hhhh");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 关闭流及socket连接
if (bw != null) {
try {
bw.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (socket != null) {
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
TCP：单向通信Socket之客户端
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
/**
* 最简单的Socket客户端
* @author Administrator
*/
public class BasicSocketClient {
public static void main(String[] args) {
Socket socket = null;
BufferedReader br = null;
try {
/*
* 创建Scoket对象：指定要连接的服务器的IP和端口而不是自己机器的
* 端口。发送端口是随机的。
*/
socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8888);
//获取scoket的输入流，并使用缓冲流进行包装
br = new BufferedReader(new
InputStreamReader(socket.getInputStream()));
//接收服务器端发送的信息
System.out.println(br.readLine());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 关闭流及socket连接
if (br != null) {
try {
br.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (socket != null) {
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
TCP：双向通信Socket之服务器端
import java.io.BufferedReader;
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class Server {
public static void main(String[] args){
Socket socket = null;
BufferedReader in = null;
BufferedWriter out = null;
BufferedReader br = null;
try {
//创建服务器端套接字：指定监听端口
ServerSocket server = new ServerSocket(8888);
//监听客户端的连接
socket = server.accept();
//获取socket的输入输出流接收和发送信息
in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
out = new BufferedWriter(new
OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
while (true) {
//接收客户端发送的信息
String str = in.readLine();
System.out.println("客户端说：" + str);
String str2 = "";
//如果客户端发送的是“end”则终止连接
if (str.equals("end")){
break;
}
//否则，发送反馈信息
str2 = br.readLine(); // 读到\n为止，因此一定要输入换行符！
out.write(str2 + "\n");
out.flush();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
//关闭资源
if(in != null){
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if(out != null){
try {
out.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if(br != null){
try {
br.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if(socket != null){
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
TCP：双向通信Socket之客户端
import java.io.BufferedReader;
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.UnknownHostException;
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Socket socket = null;
BufferedReader in = null;
BufferedWriter out = null;
BufferedReader wt = null;
try {
//创建Socket对象，指定服务器端的IP与端口
socket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8888);
//获取scoket的输入输出流接收和发送信息
in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
out = new BufferedWriter(new
OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
wt = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
while (true) {
//发送信息
String str = wt.readLine();
out.write(str + "\n");
out.flush();
//如果输入的信息为“end”则终止连接
if (str.equals("end")) {
break;
}
//否则，接收并输出服务器端信息
System.out.println("服务器端说：" + in.readLine());
}
} catch (UnknownHostException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 关闭资源
if (out != null) {
try {
out.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (in != null) {
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (wt != null) {
try {
wt.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (socket != null) {
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
UDP通讯的实现
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DatagramSocket：用于发送或接收数据报包
当服务器要向客户端发送数据时，需要在服务器端产生一个DatagramSocket对象，在客户端产生一个DatagramSocket对象。服务器端的DatagramSocket将DatagramPacket发送到网络上，然后被客户端的DatagramSocket接收。 -
DatagramSocket有两种常用的构造函数。一种是无需任何参数的，常用于客户端;另一种需要指定端口，常用于服务器端。如下所示：
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DatagramSocket() ：构造数据报套接字并将其绑定到本地主机上任何可用的端口。
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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。
常用方法： -
send(DatagramPacket p) ：从此套接字发送数据报包。
Ø receive(DatagramPacket p) ：从此套接字接收数据报包。
Ø close() ：关闭此数据报套接字。
▪ DatagramPacket：数据容器(封包)的作用
此类表示数据报包。 数据报包用来实现封包的功能。
常用方法：
Ø DatagramPacket(byte[] buf, int length) ：构造数据报包，用来接收长度为 length 的数据包。
Ø 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。
Ø getAddress() ：获取发送或接收方计算机的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。
Ø getData() ：获取发送或接收的数据。
Ø setData(byte[] buf) ：设置发送的数据。
UDP通信编程基本步骤：
1.创建客户端的DatagramSocket，创建时，定义客户端的监听端口。
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创建服务器端的DatagramSocket，创建时，定义服务器端的监听端口。
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在服务器端定义DatagramPacket对象，封装待发送的数据包。
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客户端将数据报包发送出去。
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服务器端接收数据报包。
总结
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端口是虚拟的概念，并不是说在主机上真的有若干个端口。
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在www上，每一信息资源都有统一且唯一的地址，该地址就叫URL(Uniform Resource Locator)，它是www的统一资源定位符。
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TCP与UDP的区别
1）TCP是面向连接的，传输数据安全，稳定，效率相对较低。
2）UDP是面向无连接的，传输数据不安全，效率较高。
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Socket通信是一种基于TCP协议，建立稳定连接的点对点的通信。
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网络编程是由java.net包来提供网络功能。
1）InetAddress：封装计算机的IP地址和DNS(没有端口信息!)。
2）InetSocketAddress：包含IP和端口，常用于Socket通信。
3）URL：以使用它的各种方法来对URL对象进行分割、合并等处理。
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基于TCP协议的Socket编程和通信
1）“请求-响应”模式：
--Socket类：发送TCP消息。
--ServerSocket类：创建服务器。
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UDP通讯的实现
1）DatagramSocket：用于发送或接收数据报包。
2）常用方法：send()、receive()、 close()。
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DatagramPacket：数据容器(封包)的作用
1）常用方法：构造方法、getAddrress(获取发送或接收方计算机的IP地址)、getData(获取发送或接收的数据)、setData(设置发送的数据)。
