网络通信

在这一章中，我们主要研究客户端和服务端之间的通讯办法。

基本概念

• 计算机网络：是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
• 网络编程：在网络通信协议下，实现网络互联的不同计算机上运行的程序间可以进行数据交换。
• 通信三要素：
  • IP——设备的标识
    • IP 地址分为两类：
      • IPv4：是给每个连接在网络上的主机分配一个 32 bit 地址。按照 TCP/IP 规定，IP 地址用二进制来表示，每个 IP 地址长 32 bit，也就是 4 个字节。例如一个采用二进制形式的 IP 地址是11000000 10101000 00000001 01000010。为了方便使用，IP 地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号 . 分隔不同的字节。于是，上面的 IP 地址可以表示为 192.168.1.66。IP 地址的这种表示法叫做点分十进制表示法，这显然比 1 和 0 容易记忆得多。
      • IPv6：由于互联网的蓬勃发展，IP 地址的需求量愈来愈大，但是网络地址资源有限，使得 IP 的分配越发紧张。为了扩大地址空间，通过 IPv6 重新定义地址空间，采用 128 位地址长度，每 16 个字节一组，分成 8 组十六进制数，这样就解决了网络地址资源数量不够的问题。
    • 在终端中可使用这两条与 IP 相关的命令：
      • ipconfig：查看本机 IP 地址。
      • ping IP：检查网络是否连通。
    • 127.0.0.1 通常代表本机（localhost）。
  • 端口——应用程序的标识
    • 端口号：用两个字节表示的整数，它的取值范围是 0~65535。其中，0~1023 之间的端口号用于一些知名的网络服务和应用，普通的应用程序建议使用 1024 以上的端口号。如果端口号被另外一个服务或应用所占用，会导致当前程序启动失败。
  • 协议——数据传输的规则
    • 用户数据报协议（User Datagram Protocol）：UDP 是无连接通信协议, 即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据。由于使用 UDP 协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输。例如视频会议通常采用 UDP 协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生大影响。但是在使用 UDP 协议传送数据时，由于 UDP 的面向无连接性，不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用 UDP 协议。
    • 传输控制协议（Transmission Control Protocol）：TCP 协议是面向连接的通信协议，即传输数据之前，在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。在 TCP 连接中必须要明确客户端与服务器端，由客户端向服务端发出连接请求，每次连接的创建都需要经过”三次握手”。
      • 三次握手：TCP 协议中，在发送数据的准备阶段，客户端与服务器之间的三次交互，以保证连接的可靠。第 1 次握手，客户端向服务器端发出连接请求，等待服务器确认。第 2 次握手，服务器端向客户端回送一个响应，通知客户端收到了连接请求。第 3 次握手，客户端再次向服务器端发送确认信息，确认连接。完成三次握手，连接建立后，客户端和服务器就可以开始进行数据传输了。由于这种面向连接的特性，TCP 协议可以保证传输数据的安全，所以应用十分广泛。例如上传文件、下载文件、浏览网页等。

InetAddress 类

为了方便我们对 IP 地址的获取和操作，Java 提供了 InetAddress 类，此类表示 Internet 协议（IP）地址。

下列一些需要掌握的构造器和普通方法：

方法名	说明
static InetAddress getByName(String host)	确定主机名称的 IP 地址。主机名称可以是机器名称，也可以是 IP 地址
String getHostName()	获取此 IP 地址的主机名
String getHostAddress()	返回文本显示中的 IP 地址字符串

UDP 通信协议

UDP 协议是一种不可靠的网络协议，它在通信的两端各建立一个 Socket 对象，但是这两个 Socket 只是发送、接收数据的对象，因此对于基于 UDP 协议的通信双方而言，没有所谓的客户端和服务器的概念。

Java 提供了 DatagramSocket 类作为基于 UDP 协议的 Socket。

下面演示向其他主机发送数据的过程：

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;

public class Sender {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 建立套接字对象
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

        // 打包数据，使用套接字包的构造器：
        // DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)
        byte[] b = "你是一个一个一个......啊啊啊！".getBytes();
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(b, b.length, InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 23333);

        // 发送数据包
        ds.send(dp);

        // 关闭传输（流）
        ds.close();
    }
}

下面演示从其他主机接收数据的过程：

import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;

public class Receiver {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 建立套接字对象但指定端口
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(23333);

        // 创建数据包用于接收数据
        // DatagramPacket(byte[] buf, int length)
        byte[] b = new byte[1024];
        DatagramPacket dp = new DatagramPacket(b, b.length);

        // 接收数据包
        ds.receive(dp);

        // 获取数据及其长度，并输出结果到控制台
        System.out.println(new String(dp.getData(), 0, dp.getLength()));

        // 关闭传输（流）
        ds.close();
    }
}

通过同时运行这两段程序（接收端需要比发送端先启动），我们在接收端的终端上能看见结果：

你是一个一个一个......啊啊啊！

TCP 通信协议

TCP 通信协议是一种可靠的网络协议，它在通信的两端各建立一个 Socket 对象，从而在通信的两端形成网络虚拟链路。一旦建立了虚拟的网络链路，两端的程序就可以通过虚拟链路进行通信。

Java 对基于 TCP 协议的的网络提供了良好的封装，使用 Socket 对象来代表两端的通信端口，并通过 Socket 产生 IO 流来进行网络通信。Java 为客户端提供了 Socket 类，为服务器端提供了 ServerSocket 类。

客户端：

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建客户端的 Socket 对象
        // Socket (InetAddress address, int port) 创建流套接字并將其连接到指定IP地址的指定端口号
        // Socket s = new Socket(InetAddress.getByName("192.168.1.66"), 10800);
        // Socket (String host, int port) 创建流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口号
        Socket s = new Socket("192.168.1.66", 10000);

        // 获取输出流，写数据
        // OutputStream getoutputStream() 返回此套接字的输出流
        OutputStream os = s.getOutputStream();
        os.write("hello,tcp,我来了".getBytes());

        // 释放资源
        s.close();
    }
}

服务端：

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建服务器端的 Socket 对象
        // ServerSocket(int port) 创建绑定到指定端口的服务器套接字
        ServerSocket ss = new ServerSocket(10000);

        // Socket accept() 侦听要连接到此套接字并接受它
        Socket s = ss.accept();

        // 获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
        InputStream is = s.getInputStream();
        byte[] bys = new byte[1024];
        int len = is.read(bys);
        String data = new String(bys, 0, len);
        System.out.println("数据是: " + data);

        // 释放资源
        s.close();
        ss.close();
    }
}