第二十一章网络通信

21.1 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。

局域网与互联网

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。

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。

1、IP协议

IP 是Internet Protocol 的简称，是一种网络协议。Intemet 网络采用的协议是TCP/IP 协议，其全称是Transmission Control Protocol/Inteet Protocol。

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，如图 21.2 所示。

2、TCP与UDP协议

在 TCP/IP 协议栈中，有两个高级协议，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。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。

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（port）。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。

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 Socke类对象，即可使用套接字。

21.2 TCP程序

TCP 网络程序设计是指利用 Socke 类编写通信程序。利用IP 协议进行通信的两个应用程序是有主次之分的，二个称为服务器程序，另一个称为客户机程序，两者的功能和编写方法大不一样。服务器端与客户端的交互过程如图 21.5 所示。

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InetAddress 类的常用方法如表 21.1 所示。

例：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。

package 二十一章;

import java.net.InetAddress;	//导入java.net包
import java.net.UnknownHostException;

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 LocaIname = ip.getHostName();//获取本机名 
		String Localip = ip.getHostAddress();//获取本机IP地址
		System.out.println("本机名："+LocaIname);//将本机名输出
		System.out.println("本机IP地址："+Localip);//将本机IP地址输出
		}catch(UnknownHostException e){
			e.printStackTrace();//输出异常信息
		}
		
	}

}

运行结果：

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。

ServerSocket 类的构造方法通常会抛出 IOException 异常，具体有以下几种形式:

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

ServerSocket 类的常用方法如表 21.2 所示。

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。

例：本实例是一个TCP服务器端程序，在 getserver()方法中建立服务器套接字，调用 getClientMessage()方法获取客户机信息。

package 二十一章;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class MyServer {
	private ServerSocket server;//服务器套接字
	private Socket socket;//客户机套接字
	
	
	void start() {
		try {
			server = new ServerSocket(8998);//服务器启用8998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
				//根据套接字字节流创建字符输入流
				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;//停止接受信息
					}
					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
	}

}

运行结果：

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。

package 二十一章;

import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Container;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JScrollPane;
import javax.swing.JTextArea;
import javax.swing.JTextField;

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();//展示信息的文本域
	private JTextField text = new JTextField();//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 scrollPane = new JScrollPane(area);//滚动面板
		getContentPane().add(scrollPane,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
			public void actionPerformed(ActionEvent e) {
				writer.println(text.getText().trim());//将文本框中的信息显示在文本域中
				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");//文本域中提示信息
		try {
			socket = new Socket("127.0.0.1",8998);//连接本地计算机的8998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();
		clien.setSize(200, 200);//窗体大小
		clien.setVisible(true);//显示窗体
		clien.connect();//连接服务器
	}

}

运行结果：

21.3 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 DP 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。

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:

将数据打包《称为数据包)，然后将数据包发往目的地。
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:

使用 DatagramSocket0创建一个数据包套接字。
使用 DatagramPacket(bytel] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port)创建要发送的数据包。
使用 DatagramSocket 类的 send0方法发送数据包。

接收数据包的步骤如下:

使用 DatagramSocket(int port)创建数据包套接字，绑定到指定的端口。
使用 DatagramPacket(byte[] buf;int length)创建字节数组来接收数据包。
使用 DatagramPacket 类的 receive0方法接收UDP 包。

DatagramPacket 类

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：

DatagramSocket()。
DatagramSocket(int port).
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。

UDP网络程序设计

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。

（1）广播主机程序不断地向外播出信息，代码如下:

package 二十一章;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;

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
	
	Notification(){
		try {
			iaddress = InetAddress.getByName("224.225.10.0");//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
	}

}

运行结果：

（2）接收广播程序，代码如下:

package 二十一章;

import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Color;
import java.awt.GridLayout;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;
import java.net.MulticastSocket;

import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JPanel;
import javax.swing.JTextArea;
import javax.swing.WindowConstants;

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("224.225.10.0");//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
				//获取数据包中的内容
				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
				inced.append(message+"\n");//每一条信息为一行
			}catch(IOException e) {
				e.printStackTrace();//输出异常信息
			}
		}
	}

	@Override
	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
			stopBtn.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);
	}

}

运行结果：