二十一章(网络通信)

s11333332023-12-08 18:24

计算机网络实现了多台计算机间的互联，使得它们彼此之间能够进行数据交流。网络应用程序就是在已连接的不同计算机上运行的程序，这些程序借助于网络协议，相互之间可以交换数据。编写网络应用程序前，首先必须明确所要使用的网络协议。TCP/IP协议是网络应用程序的首选

一.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知识，也可以编写出高质量的网络通信程序。

1.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计算机

服务器是指提供信息的计算机或程序，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，实现两者间的相互通信。但是，有时在某个网络中很难将服务器与客户机区分开。我们通常所说的局域网（Local Area Network，LAN），就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的上千台计算机组成。将LAN延伸到更大的范围，这样的网络称为广域网（Wide Area Network，WAN）。我们熟悉的互联网（Internet），就是由无数的LAN和WAN组成的。

2.网络协议

网络协议规定了计算机之间连接的物理、机械（网线与网卡的连接规定）、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。就像不同的国家有不同的法律一样，目前网络协议也有多种。下面简单地介绍几个常用的网络协议。

1．IP协议

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，其全称是Transmission Control Protocol/Internet Protocol。Internet依靠TCP/IP协议，在全球范围内实现了不同硬件结构、不同操作系统、不同网络系统间的互联。在Internet网络上存在着数以亿计的主机，每台主机都用网络为其分配的Internet地址代表自己，这个地址就是IP地址。到目前为止，IP地址用4个字节，也就是32位的二进制数来表示，称为IPv4。为了便于使用，通常取用每个字节的十进制数，并且每个字节之间用圆点隔开来表示IP地址，如192.168.1.1。现在人们正在试验使用16个字节来表示IP地址，这就是IPv6，但IPv6还没有投入使用。

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，提供特定的服务和访问接口，并具有相对的独立性。

2．TCP与UDP协议

在TCP/IP协议栈中，有两个高级协议是网络应用程序编写者应该了解的，即传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）与用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。

TCP协议是一种以固接连线为基础的协议，它提供两台计算机间可靠的数据传送。TCP可以保证数据从一端送至连接的另一端时，能够确实送达，而且抵达的数据的排列顺序和送出时的顺序相同。因此，TCP协议适合可靠性要求比较高的场合。就像拨打电话，必须先拨号给对方，等两端确定连接后，相互才能听到对方说话，也知道对方回应的是什么。

HTTP、FTP和Telnet等都需要使用可靠的通信频道。例如，HTTP从某个URL读取数据时，如果收到的数据顺序与发送时不相同，可能就会出现一个混乱的HTML文件或是一些无效的信息。

UDP是无连接通信协议，不保证数据的可靠传输，但能够向若干个目标发送数据，或接收来自若干个源的数据。UDP以独立发送数据包的方式进行。这种方式就像邮递员送信给收信人，可以寄出很多信给同一个人，且每一封信都是相对独立的，各封信送达的顺序并不重要，收信人接收信件的顺序也不能保证与寄出信件的顺序相同。

UDP协议适合于一些对数据准确性要求不高，但对传输速度和时效性要求非常高的网站，如网络聊天室、在线影片等。这是由于TCP协议在认证上存在额外耗费，可能使传输速度减慢，而UDP协议即使有一小部分数据包遗失或传送顺序有所不同，也不会严重危害该项通信。

注意

一些防火墙和路由器会设置成不允许UDP数据包传输，因此若遇到UDP连接方面的问题，应先确定所在网络是否允许UDP协议

3.端口与套接字

一般而言，一台计算机只有单一的连到网络的物理连接（Physical Connection），所有的数据都通过此连接对内、对外送达特定的计算机，这就是端口。网络程序设计中的端口（port）并非真实的物理存在，而是一个假想的连接装置。端口被规定为一个在0～65535的整数。HTTP服务一般使用80端口，FTP服务使用21端口。假如一台计算机提供了HTTP、FTP等多种服务，那么客户机会通过不同的端口来确定连接到服务器的哪项服务上，如图21.3所示。

通常，0～1023的端口数用于一些知名的网络服务和应用，用户的普通网络应用程序应该使用1024以上的端口数，以避免端口号与另一个应用或系统服务所用端口冲突。

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，就像插座一样可连接电器与电线，如图21.4所示。Java将套接字抽象化为类，程序设计者只需创建Socket类对象，即可使用套接字。

二.TCP程序

TCP网络程序设计是指利用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。

1.InetAddress类

java.net包中的InetAddress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。

使用InetAddress类的getHostName()和getHostAddress()方法获得本地主机的本机名、本机IP地址。

java 复制代码 
package wanluo;

import java.net.*;	//导入Java.net包

public class Address {//创建类

	public static void main(String[] args) {
		InetAddress ip;//创建InetAddress对象
		try {//捕捉可能出现的异常	
			ip = InetAddress.getLocalHost();//实例化对象
			String IocaIname = ip.getHostName();//获取本机名
			String Iocalip = ip.getHostAddress();//获取本机IP地址
			System.out.println("本机名：" + IocaIname);//将本机名输出
			System.out.println("本机IP地址：" + Iocalip);//将本机IP地址输出
		}catch(UnknownHostException e) {
			e.printStackTrace();//输出异常信息
		}
	}
}

结果如下

2.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连接。如果多台客户机同时提出连接请求，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。若请求连接数大于最大容纳数，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：

  1. ServerSocket()：创建非绑定服务器套接字。
  2. ServerSocket(int port)：创建绑定到特定端口的服务器套接字。
  3. 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。
  4. 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。

调用ServerSocket类的accept()方法，会返回一个和客户端Socket对象相连接的Socket对象。服务器端的Socket对象使用getOutputStream()方法获得的输出流，将指向客户端Socket对象使用getInputStream()方法获得的那个输入流；同样，服务器端的Socket对象使用getInputStream()方法获得的输入流，将指向客户端Socket对象使用getOutputStream()方法获得的那个输出流。也就是说，当服务器向输出流写入信息时，客户端通过相应的输入流就能读取，反之亦然。

注意

accept()方法会阻塞线程的继续执行，直到接收到客户的呼叫。如果没有客户呼叫服务器，那么System.out.println("连接中")语句将不会执行。语句如果没有客户请求，accept()方法没有发生阻塞，肯定是程序出现了问题。通常是使用了一个被其他程序占用的端口号，ServerSocket绑定没有成功。

yu = server.accept();

System.out.println("连接中");

3.TCP网络程序设计

明白了TCP程序工作的过程，就可以编写TCP服务器程序了。在网络编程中，如果只要求客户机向服务器发送消息，不要求服务器向客户机发送消息，称为单向通信。客户机套接字

和服务器套接字连接成功后，客户机通过输出流发送数据，服务器则通过输入流接收数据。下面是简单的单向通信的实例。

例题21.2:创建TCP/IP协议服务器
java 复制代码 
package wanluo;

import java.io.*;
import java.net.*;

public class MyServer {
	private ServerSocket server;//服务器套接字
	private Socket socket;//客户机套接字
	
	void start() {//启动服务器
		try {
			server = new ServerSocket(5555);//服务器启用5555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();//服务器监听客户机连接
				
				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)) {//如果客户机发来的内容为"exit"
						System.out.println("客户机退出");
						break;//停止接收信息
					}
					System.out.println("客户机：" + message);
				}
				reader.close();//关闭流
				socket.close();//关闭套接字
			}
		}catch(IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		MyServer tcp = new MyServer();
		tcp.start();//启动服务器
	}

}

结果如下

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。

编写客户端程序，将用户在文本框中输入的信息发送至服务器端，并将文本框中输入的信息显示在客户端的文本域中。

java 复制代码 
package wanluo;

import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.io.*;
import java.net.Socket;
import javax.swing.*;




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();//展现信息的文本域
		private JTextField text = new JFormattedTextField();//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 sctollPane = new JScrollPane(area);//滚动面板
			getContentPane().add(sctollPane,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
				@Override
				public void actionPerformed(ActionEvent e) {
					writer.println(text.getText().trim());//将文本框中的信息写入流
					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");//文本域提示信息
			try {
				socket = new Socket("127.0.0.1",5555);//连接本地计算机的5555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();//窗体大小
			clien.setSize(200,200);//显示窗体
			clien.setVisible(true);//连接服务器
			clien.connect();
		}
	}

结果如下

说明

当一台机器上安装了多个网络应用程序时，很可能指定的端口号已被占用。还可能遇到以前运行良好的网络程序突然运行不了的情况，这种情况很可能也是由于端口被别的程序占用了。此时可以运行netstat-help来获得帮助，使用netstat-an命令来查看该程序所使用的端口

三.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的通信不同，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的顺序相同。虽然UDP是一种不可靠的协议，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：

  1. 将数据打包（称为数据包），然后将数据包发往目的地。

  2. 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)创建要发送的数据包。

（3）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。

注意

DatagramSocket类的receive()方法接收数据时，如果还没有可以接收的数据，在正常情况下receive()方法将阻塞，一直等到网络上有数据传来，receive()方法接收该数据并返回。如果网络上没有数据发送过来，receive()方法也没有阻塞，肯定是程序有问题，大多数情况下是因为使用了一个被其他程序占用的端口号。

1.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端口。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DatagramPacket对象。

2.DatagramSocket类

java.net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：

  1. DatagramSocket()。
  2. DatagramSocket(int port)。
  3. 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，创建数据报套接字，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。

如果接收数据时必须指定一个端口号，不允许系统随机产生，此时可以使用第二种构造方法。比如有个朋友要你给他写信，那他的地址就必须确定，不确定是不行的。在发送数据时通常使用第一种构造方法，不指定端口号，而是系统为我们分配一个端口号，就像寄信不需要到指定的邮局去寄一样。

3.UDP网络程序设计

根据前面所讲的网络编程的基本知识以及UDP网络编程的特点，下面创建一个广播数据报程序。广播数据报是一项较新的技术，其原理类似于电台广播。广播电台需要在指定的波段和频率上广播信息，收听者也要将收音机调到指定的波段、频率，才可以收听广播内容。

例题21.3:创建UDP协议广播电台程序

java 复制代码 
package wanluo;

import java.io.IOException;
import java.net.*;

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
	
	
	@SuppressWarnings("deprecation")
	Notification(){
		try {
			iaddress = InetAddress.getByName("224.255.10.0");//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
	}
}

接收广播程序。单击"开始接收"按钮，系统开始接收主机播出的信息；单击"停止接收"按钮，系统停止接收广播主机播出的信息。代码如下：

java 复制代码 
package wanluo;


import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.io.IOException;
import java.net.*;
import javax.swing.*;

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("224.255.10.0");//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
				
				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
				inceAr.append(message + "\n");//每条信息为一行
			}catch(IOException e){
				e.printStackTrace();//输出异常信息
			}
		}
	}
	
	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
			inceBtn.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);
	}

}

结果如下

说明

发出广播和接收广播的主机地址必须位于同一个组内，地址范围为224.0.0.0～224.255.255.255，该地址并不代表某个特定主机的位置。加入同一个组的主机可以在某个端口上广播信息，也可以在某个端口上接收信息。

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