二十一章網絡通信

計算機網絡實現了多臺計算機間的互聯，使得它們彼此之間能夠進行數據交流。網絡應用程序就是在已連接的不同計算機上運行的程序，這些程序借助于網絡協議，相互之間可以交換數據。編寫網絡應用程序前，首先必須明確所要使用的網絡協議。TCP/IP協議是網絡應用程序的首選

21.1　網絡程序設計基礎

網絡程序設計編寫的是與其他計算機進行通信的程序。Java已經將網絡程序所需要的元素封裝成不同的類，用戶只要創建這些類的對象，使用相應的方法，即使不具備有關的網絡知識，也可以編寫出高質量的網絡通信程序。

21.1.1　局域網與互聯網

為了實現兩臺計算機的通信，必須用一個網絡線路連接兩臺計算機

服務器是指提供信息的計算機或程序，客戶機是指請求信息的計算機或程序。網絡用于連接服務器與客戶機，實現兩者間的相互通信。但是，有時在某個網絡中很難將服務器與客戶機區分開。我們通常所說的局域網（Local Area Network，LAN），就是一群通過一定形式連接起來的計算機，它可以由兩臺計算機組成，也可以由同一區域內的上千臺計算機組成。將LAN延伸到更大的范圍，這樣的網絡稱為廣域網（Wide Area Network，WAN）。我們熟悉的互聯網（Internet），就是由無數的LAN和WAN組成的。

21.1.2　網絡協議

網絡協議規定了計算機之間連接的物理、機械（網線與網卡的連接規定）、電氣（有效的電平范圍）等特征，計算機之間的相互尋址規則，數據發送沖突的解決方式，長數據如何分段傳送與接收等內容。就像不同的國家有不同的法律一樣，目前網絡協議也有多種。下面簡單地介紹幾個常用的網絡協議。

1．IP協議

IP是Internet Protocol的簡稱，是一種網絡協議。Internet網絡采用的協議是TCP/IP協議，其全稱是Transmission Control Protocol/Internet Protocol。Internet依靠TCP/IP協議，在全球范圍內實現了不同硬件結構、不同操作系統、不同網絡系統間的互聯。在Internet網絡上存在著數以億計的主機，每臺主機都用網絡為其分配的Internet地址代表自己，這個地址就是IP地址。到目前為止，IP地址用4個字節，也就是32位的二進制數來表示，稱為IPv4。為了便于使用，通常取用每個字節的十進制數，并且每個字節之間用圓點隔開來表示IP地址，如192.168.1.1。現在人們正在試驗使用16個字節來表示IP地址，這就是IPv6，但IPv6還沒有投入使用。

TCP/IP模式是一種層次結構，共分為4層，分別為應用層、傳輸層、互聯網層和網絡層。各層實現特定的功能，提供特定的服務和訪問接口，并具有相對的獨立性。

2．TCP與UDP協議

在TCP/IP協議棧中，有兩個高級協議是網絡應用程序編寫者應該了解的，即傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）與用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）。

TCP協議是一種以固接連線為基礎的協議，它提供兩臺計算機間可靠的數據傳送。TCP可以保證數據從一端送至連接的另一端時，能夠確實送達，而且抵達的數據的排列順序和送出時的順序相同。因此，TCP協議適合可靠性要求比較高的場合。就像撥打電話，必須先撥號給對方，等兩端確定連接后，相互才能聽到對方說話，也知道對方回應的是什么。

HTTP、FTP和Telnet等都需要使用可靠的通信頻道。例如，HTTP從某個URL讀取數據時，如果收到的數據順序與發送時不相同，可能就會出現一個混亂的HTML文件或是一些無效的信息。

UDP是無連接通信協議，不保證數據的可靠傳輸，但能夠向若干個目標發送數據，或接收來自若干個源的數據。UDP以獨立發送數據包的方式進行。這種方式就像郵遞員送信給收信人，可以寄出很多信給同一個人，且每一封信都是相對獨立的，各封信送達的順序并不重要，收信人接收信件的順序也不能保證與寄出信件的順序相同。

UDP協議適合于一些對數據準確性要求不高，但對傳輸速度和時效性要求非常高的網站，如網絡聊天室、在線影片等。這是由于TCP協議在認證上存在額外耗費，可能使傳輸速度減慢，而UDP協議即使有一小部分數據包遺失或傳送順序有所不同，也不會嚴重危害該項通信。

注意

一些防火墻和路由器會設置成不允許UDP數據包傳輸，因此若遇到UDP連接方面的問題，應先確定所在網絡是否允許UDP協議。

21.1.3　端口與套接字

一般而言，一臺計算機只有單一的連到網絡的物理連接（Physical Connection），所有的數據都通過此連接對內、對外送達特定的計算機，這就是端口。網絡程序設計中的端口（port）并非真實的物理存在，而是一個假想的連接裝置。端口被規定為一個在0～65535的整數。HTTP服務一般使用80端口，FTP服務使用21端口。假如一臺計算機提供了HTTP、FTP等多種服務，那么客戶機會通過不同的端口來確定連接到服務器的哪項服務上，如圖21.3所示。

通常，0～1023的端口數用于一些知名的網絡服務和應用，用戶的普通網絡應用程序應該使用1024以上的端口數，以避免端口號與另一個應用或系統服務所用端口沖突。

網絡程序中的套接字（Socket）用于將應用程序與端口連接起來。套接字是一個假想的連接裝置，就像插座一樣可連接電器與電線，如圖21.4所示。Java將套接字抽象化為類，程序設計者只需創建Socket類對象，即可使用套接字。

21.2　TCP程序

TCP網絡程序設計是指利用Socket類編寫通信程序。利用TCP協議進行通信的兩個應用程序是有主次之分的，一個稱為服務器程序，另一個稱為客戶機程序，兩者的功能和編寫方法大不一樣。

①——服務器程序創建一個ServerSocket（服務器端套接字）對象，調用accept()方法等待客戶機來連接。

②——客戶端程序創建一個Socket對象，請求與服務器建立連接。

③——服務器接收客戶機的連接請求，同時創建一個新的Socket對象與客戶建立連接。隨后服務器繼續等待新的請求。

21.2.1　InetAddress類

java.net包中的InetAddress類是與IP地址相關的類，利用該類可以獲取IP地址、主機地址等信息。

?使用InetAddress類的getHostName()和getHostAddress()方法獲得本地主機的本機名、本機IP地址。

package Package21;import java.net.InetAddress;//導入包
import java.net.UnknownHostException;public class Address {//創建類public static void main(String[] args) {//創建InetAddress對象// TODO Auto-generated method stubInetAddress ip;try {//捕捉可能出現的異常ip = InetAddress.getLocalHost();//實例化對象String locaIname = ip.getHostName();//獲取本機名String locaIip = ip.getHostAddress();//獲取本機IP地址System.out.println("本機名："+locaIname);//將本機名輸出System.out.println("本機IP地址："+locaIip);//將本機IP地址輸出}catch(UnknownHostException e) {e.printStackTrace();//輸出異常信息}}
}

結果：

注意

InetAddress類的方法會拋出UnknownHostException異常，所以必須進行異常處理。這個異常在主機不存在或網絡連接錯誤時發生。

21.2.2　ServerSocket類

java.net包中的ServerSocket類用于表示服務器套接字，其主要功能是等待來自網絡上的“請求”，它可通過指定的端口來等待連接的套接字。服務器套接字一次可以與一個套接字連接。如果多臺客戶機同時提出連接請求，服務器套接字會將請求連接的客戶機存入列隊中，然后從中取出一個套接字，與服務器新建的套接字連接起來。若請求連接數大于最大容納數，則多出的連接請求被拒絕。隊列的默認大小是50。

ServerSocket類的構造方法通常會拋出IOException異常，具體有以下幾種形式：

?ServerSocket()：創建非綁定服務器套接字。
ServerSocket(int port)：創建綁定到特定端口的服務器套接字。
ServerSocket(int port, int backlog)：利用指定的backlog創建服務器套接字，并將其綁定到指定的本地端口號上。
ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddress)：使用指定的端口、偵聽backlog和要綁定到的本地IP地址創建服務器。這種情況適用于計算機上有多塊網卡和多個IP地址的情況，用戶可以明確規定ServerSocket在哪塊網卡或哪個IP地址上等待客戶的連接請求。

調用ServerSocket類的accept()方法，會返回一個和客戶端Socket對象相連接的Socket對象。服務器端的Socket對象使用getOutputStream()方法獲得的輸出流，將指向客戶端Socket對象使用getInputStream()方法獲得的那個輸入流；同樣，服務器端的Socket對象使用getInputStream()方法獲得的輸入流，將指向客戶端Socket對象使用getOutputStream()方法獲得的那個輸出流。也就是說，當服務器向輸出流寫入信息時，客戶端通過相應的輸入流就能讀取，反之亦然。

注意

accept()方法會阻塞線程的繼續執行，直到接收到客戶的呼叫。如果沒有客戶呼叫服務器，那么System.out.println("連接中")語句將不會執行。語句如果沒有客戶請求，accept()方法沒有發生阻塞，肯定是程序出現了問題。通常是使用了一個被其他程序占用的端口號，ServerSocket綁定沒有成功。

yu = server.accept();

System.out.println("連接中");

21.2.3　TCP網絡程序設計

明白了TCP程序工作的過程，就可以編寫TCP服務器程序了。在網絡編程中，如果只要求客戶機向服務器發送消息，不要求服務器向客戶機發送消息，稱為單向通信。客戶機套接字

和服務器套接字連接成功后，客戶機通過輸出流發送數據，服務器則通過輸入流接收數據。下面是簡單的單向通信的實例。

【例21.2】創建TCP/IP協議服務器

package Package21;import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;public class MyServer {//服務器套接字private ServerSocket server;//客戶機套接字private Socket socket;void start() {//啟動服務器try {server = new ServerSocket(8998);//服務器啟動8998端口System.out.println("服務器套接字已經創建成功");while(true) {System.out.println("等待客戶機的連接");socket = server.accept();//服務器監聽客戶機連接BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));//根據套接字字節流創建字符輸入流while(true) {//循環接收信息String message = reader.readLine();//讀取一行文字if("exit".equals(message)) {//入過客戶機發來的內容為"exit"System.out.println("客戶機退出");break;//停止接收信息}System.out.println("客戶機："+message);}reader.close();//關閉流socket.close();//關閉套接字}}catch(IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {// TODO Auto-generated method stubMyServer tcp = new MyServer();tcp.start();//啟動服務器}}

結果：

運行服務器端程序，將輸出提示信息，等待客戶呼叫。下面再來看一下客戶端程序。

編寫客戶端程序，將用戶在文本框中輸入的信息發送至服務器端，并將文本框中輸入的信息顯示在客戶端的文本域中。

package Package21;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;//根據套接字字節流創建的字符輸出流Socket socket;//客戶端套接字private JTextArea area = new JTextArea();//展示信息的文本private JTextField text = new JTextField();//發送信息的文本框public MyClient() {setTitle("向服務器送數據");setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);Container c = getContentPane();//著容器JScrollPane scrollPane = new JScrollPane(area);//滾動面板getContentPane().add(scrollPane,BorderLayout.CENTER);c.add(text,"South");//將文本框放置在文本的下部text.addActionListener(new ActionListener() {//文本框觸發回車事件public void actionPerformed(ActionEvent e) {writer.println(text.getText().trim());//將文本框中的信息寫入流area.append(text.getText()+"\n");將文本框中的信息顯示在文本域中text.setText("");//將文本框清空}});}private void connect() {//連接服務器方法area.append("嘗試連接\n");//文本域中提示信息try {socket = new Socket("127.0.0.1",8998);//連接本地計算機的8998端口writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);area.append("完成連接\n");}catch(IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {// TODO Auto-generated method stubMyClient clien = new MyClient();clien.setSize(200,200);//窗體大小clien.setVisible(true);//顯示窗體clien.connect();//連接服務器}}

結果：

說明

當一臺機器上安裝了多個網絡應用程序時，很可能指定的端口號已被占用。還可能遇到以前運行良好的網絡程序突然運行不了的情況，這種情況很可能也是由于端口被別的程序占用了。此時可以運行netstat-help來獲得幫助，使用netstat-an命令來查看該程序所使用的端口

21.3　UDP程序

用戶數據報協議（UDP）是網絡信息傳輸的另一種形式。基于UDP的通信和基于TCP的通信不同，基于UDP的信息傳遞更快，但不提供可靠性保證。使用UDP傳遞數據時，用戶無法知道數據能否正確地到達主機，也不能確定到達目的地的順序是否和發送的順序相同。雖然UDP是一種不可靠的協議，但如果需要較快地傳輸信息，并能容忍小的錯誤，可以考慮使用UDP。

基于UDP通信的基本模式如下：

將數據打包（稱為數據包），然后將數據包發往目的地。
接收別人發來的數據包，然后查看數據包。

發送數據包的步驟如下：

（1）使用DatagramSocket()創建一個數據包套接字。

（2）使用DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port)創建要發送的數據包。

（3）使用DatagramSocket類的send()方法發送數據包。

接收數據包的步驟如下：

（1）使用DatagramSocket(int port)創建數據包套接字，綁定到指定的端口。

（2）使用DatagramPacket(byte[] buf, int length)創建字節數組來接收數據包。

（3）使用DatagramPacket類的receive()方法接收UDP包。

注意

DatagramSocket類的receive()方法接收數據時，如果還沒有可以接收的數據，在正常情況下receive()方法將阻塞，一直等到網絡上有數據傳來，receive()方法接收該數據并返回。如果網絡上沒有數據發送過來，receive()方法也沒有阻塞，肯定是程序有問題，大多數情況下是因為使用了一個被其他程序占用的端口號。

21.3.1　DatagramPacket類

java.net包的DatagramPacket類用來表示數據包。DatagramPacket類的構造方法如下：

DatagramPacket(byte[] buf, int length)。
DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address, int port)。

第一種構造方法在創建DatagramPacket對象時，指定了數據包的內存空間和大小。第二種構造方法不僅指定了數據包的內存空間和大小，還指定了數據包的目標地址和端口。在發

送數據時，必須指定接收方的Socket地址和端口號，因此使用第二種構造方法可創建發送數據的DatagramPacket對象。

21.3.2　DatagramSocket類

java.net包中的DatagramSocket類用于表示發送和接收數據包的套接字。該類的構造方法如下：

DatagramSocket()。
DatagramSocket(int port)。
DatagramSocket(int port, InetAddress addr)。

第一種構造方法創建DatagramSocket對象，構造數據報套接字，并將其綁定到本地主機任何可用的端口上。第二種構造方法創建DatagramSocket對象，創建數據報套接字，并將其綁定到本地主機的指定端口上。第三種構造方法創建DatagramSocket對象，創建數據報套接字，并將其綁定到指定的端口和指定的本地地址上。第三種構造函數適用于有多塊網卡和多個IP地址的情況。

如果接收數據時必須指定一個端口號，不允許系統隨機產生，此時可以使用第二種構造方法。比如有個朋友要你給他寫信，那他的地址就必須確定，不確定是不行的。在發送數據時通常使用第一種構造方法，不指定端口號，而是系統為我們分配一個端口號，就像寄信不需要到指定的郵局去寄一樣。

21.3.3　UDP網絡程序設計

根據前面所講的網絡編程的基本知識以及UDP網絡編程的特點，下面創建一個廣播數據報程序。廣播數據報是一項較新的技術，其原理類似于電臺廣播。廣播電臺需要在指定的波段和頻率上廣播信息，收聽者也要將收音機調到指定的波段、頻率，才可以收聽廣播內容。

【例21.3】創建UDP協議廣播電臺程序

package Package21;import java.io.IOException;
import java.net.*;public class Notification extends Thread {String weather = "節目預報:八點有大型晚會,請收聽";int port = 9898;InetAddress iaddress = null;MulticastSocket socket = null;@SuppressWarnings("deprecation")Notification(){try {iaddress = InetAddress.getByName("224.255.10.0");//數字不能用中文數字socket = new MulticastSocket(port);socket.setTimeToLive(1);socket.joinGroup(iaddress);}catch(IOException e) {e.printStackTrace();}}public void run() {while(true) {DatagramPacket packet = null;byte data[] = weather.getBytes();packet = new DatagramPacket(data,data.length,iaddress,port);System.out.println(weather);try {socket.send(packet);sleep(3000);}catch(IOException e) {e.printStackTrace();}catch(InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public static void main(String[] args) {Notification W = new Notification();W.start();}
}

接收廣播程序。單擊“開始接收”按鈕，系統開始接收主機播出的信息；單擊“停止接收”按鈕，系統停止接收廣播主機播出的信息。代碼如下：

package Package21;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;InetAddress group = null;MulticastSocket socket = null;JButton inceBtn = new JButton("開始接收");JButton stopBtn = new JButton("停止接收");JTextArea inceAr = new JTextArea(10,10);JTextArea inced = new JTextArea(10,10);Thread thread;boolean stop = false;public Receive() {setTitle("廣播數據報");setDefaultCloseOperation(WindowConstants.EXIT_ON_CLOSE);thread = new Thread(this);inceBtn.addActionListener(this);stopBtn.addActionListener(this);inceAr.setForeground(Color.blue);JPanel north = new JPanel();north.add(inceBtn);north.add(stopBtn);add(north,BorderLayout.NORTH);JPanel center = new JPanel();center.setLayout(new GridLayout(1,2));center.add(inceAr);center.add(inced);add(center,BorderLayout.CENTER);validate();port = 9898;try {group = InetAddress.getByName("224.255.10.0");socket = new MulticastSocket(port);socket.joinGroup(group);}catch(IOException e) {e.printStackTrace();}setBounds(100,50,360,380);setVisible(true);}public void run() {while(!stop) {byte data[] = new byte[1024];DatagramPacket packet = null;packet = new DatagramPacket(data,data.length,group,port);try {socket.receive(packet);String message = new String(packet.getData(),0,packet.getLength());inceAr.setText("正在接收的內容：\n"+message);inced.append(message+"\n");}catch(IOException e) {e.printStackTrace();}}}public void actionPerformed(ActionEvent e) {if(e.getSource()==inceBtn) {inceBtn.setBackground(Color.red);stopBtn.setBackground(Color.yellow);if(!(thread.isAlive())) {thread = new Thread(this);}thread.start();stop = false;}if(e.getSource() == stopBtn) {inceBtn.setBackground(Color.yellow);stopBtn.setBackground(Color.red);stop = true;}}public static void main(String[] args) {// TODO Auto-generated method stubReceive rec = new Receive();rec.setSize(460,200);}}

結果：