Java語言程序設計 課件 第19章 Java網絡編程

Java語言程序設計第19章Java網絡編程

1網絡概述23主要內容

Java語言程序設計(第4版)清華大學出版社2023基于TCP的通信基于UDP的通信45基于HTTP編程案例：訪問Web應用程序Java語言程序設計19.1網絡概述Java語言作為最流行的網絡編程語言，提供了強大的網絡編程功能。使用Java語言可以編寫底層的網絡通信程序，這是通過包中提供的InetAddress類、Socket類、ServerSocket類、URL類以及URLConnection等類實現的。19.1.1網絡分層與協(xié)議最常用的是適用于Internet的TCP/IP四層模型，包括主機網絡層、網際層、傳輸層和應用層。應用層（HTTP，SMTP，FTP）傳輸層（TCP，UDP）網際層（IP）主機網絡層協(xié)議（protocol）是定義計算機之間如何通信的一組規(guī)則。網際層最重要的協(xié)議是IP，它是基于TCP/IP網絡協(xié)議的核心協(xié)議傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)和用戶數據報協(xié)議UDP(UserDatagramProtocol)。TCP是面向連接的協(xié)議，是可靠的協(xié)議。UDP是面向無連接的協(xié)議，是不可靠協(xié)議。用于Web的HTTP，還有用于電子郵件的SMTP、POP3，用于文件傳輸的FTP。發(fā)出連接請求的計算機稱為客戶端，提供服務的計算機稱為服務器。在客戶端發(fā)出連接請求時，服務器必須正在等待客戶端的請求。19.1.2客戶/服務器結構Web是Internet上最流行的客戶/服務器（C/S）結構。Web服務器（如Apache）響應Web客戶端（如Firefox）的請求。數據被存儲在Web服務器上，在被請求時發(fā)送給客戶端。連接到Internet上的計算機使用IP地址或域名來唯一標識。一般來說，IP地址是由4個用點號分隔開的0~255之間的十進制數組成，如36。19.1.3IP地址和域名域名系統(tǒng)（DomainNameSystem），用來將人類易于記憶的主機名（）轉換為數字Internet地址（4）。地址是一個比較特殊的IP地址，它被保留用作本機回路地址（loopback），該地址對應的主機名是localhost。當程序訪問網絡時，需要同時處理數字地址和相應的主機名。這些操作的方法由.InetAddress類提供。19.1.3IP地址和域名InetAddress類沒有提供構造方法，要得到一個InetAddress類對象，需要使用該類的靜態(tài)方法。staticInetAddressgetByName(Stringhost)staticInetAddressgetLocalHost()staticInetAddress[]getAllByName(Stringhost)下面是InetAddress類的其他方法：StringgetHostName()StringgetHostAddress()byte[]getAddress()19.1.3IP地址和域名包中還提供了Inet4Address類和Inet6Address，它們分別表示IPv4和IPv6地址，并提供了相應的方法對它們操作。Stringhostname="";try{InetAddressaddress=InetAddress.getByName(hostname);System.out.println(address);System.out.println("主機名："+address.getHostName());System.out.println("IP地址："+address.getHostAddress());}catch(UnknownHostExceptionex){System.out.println("給定的主機不存在");}程序19.1SearchIP.java實現網絡通信必須將兩臺機器連接起來建立一個雙向通信鏈路，這個雙向通信鏈路的每一端稱為一個套接字（socket）。19.1.4端口號與套接字通常使用一個整數來標識該機器上的某個服務，這個整數就是端口號（port）。端口號是用16位整數標識，共有65536個端口號。端口號分為兩類。一類是由因特網名字和號碼指派公司ICANN分配給一些常用的應用層程序固定使用的熟知端口（well-knownport），其值范圍為0~1023。例如，HTTP服務的端口號為80，FTP服務的端口號為21。19.1.4端口號與套接字另一類端口為一般端口，用來隨時分配給請求通信的客戶進程。為了在通信時不致發(fā)生混亂，必須把端口號和主機的IP地址結合在一起使用。一個TCP連接由它的兩個端點來標識，而每一個端點又是由IP地址和端口號決定的。TCP連接的端點稱為套接字，IP地址和端口號一起構成套接字，如圖所示。19.1.4端口號與套接字運行在一臺特定機器上的某個服務器（如HTTP服務器）都有一個套接字綁定到該服務器上。服務器只是等待、監(jiān)聽客戶的連接請求。

在客戶端，客戶機需要知道服務器的主機名和端口號。為了建立連接請求，客戶機試圖與服務器機上的指定端口號上的服務連接。服務器將接受連接請求。一旦接受了請求，服務器將創(chuàng)建一個新的綁定到另一個端口號的套接字.19.1.4端口號與套接字6.1.1課堂討論及訓練Java語言程序設計(第4版)

QQ群：288639486編寫一個JavaFX圖形界面程序，通過文本框輸入一個主機名，利用該主機名找到該主機的IP地址并通過標簽顯示出來。下圖是當輸入主機名后單擊“查找”按鈕顯示的IP地址。Java語言程序設計19.2基于TCP的通信編寫網絡程序時，有兩種通信可供選擇：基于TCP的通信和基于UDP的通信。19.2.1基于TCP和UDP通信的對比基于TCP的通信使用TCP協(xié)議，該協(xié)議是面向連接的協(xié)議。使用這種協(xié)議要求發(fā)送方和接收方都要建立套接字，一旦兩個套接字建立起來，它們就可以進行雙向通信，雙方都可以發(fā)送和接收數據。基于UDP的通信使用UDP協(xié)議，該協(xié)議是一種無連接的協(xié)議。使用這種協(xié)議通信，每個數據報都是一個獨立的信息單元，它包括完整的目的地址，數據報在網絡上以任何可能的路徑傳往目的地，因此數據能否到達目的地、到達的時間以及內容的正確性都不能保證，該協(xié)議提供的是不可靠的服務。（1）TCP是一個面向連接的協(xié)議，在通信之前必須建立雙方的連接，因此在TCP中多了一個建立連接的時間。使用UDP時，每個數據報都給出了完整的地址信息，因此無需建立發(fā)送方和接收方的連接。19.2.1基于TCP和UDP通信的對比（2）使用TCP沒有數據大小的限制，一旦建立起連接，就可以傳輸大量的數據。使用UDP傳輸數據時是有大小限制的，每個數據報必須不大于64KB。（3）TCP是可靠的協(xié)議，它確保接收方正確地獲取發(fā)送方所發(fā)送的數據。UDP是不可靠的協(xié)議，發(fā)送方發(fā)送的數據不一定以相同的次序到達接收方。19.2.1基于TCP和UDP通信的對比（4）TCP使用較廣泛，如TELNET遠程登錄、FTP文件傳輸都需要不定長度的數據可靠地傳輸，因此需要使用TCP協(xié)議。相比之下UDP比較簡單，因此常用于局域網分散系統(tǒng)中的客戶/服務器應用程序。為了實現基于TCP的通信，在包中提供了兩個類：ServerSocket和Socket。它們分別實現連接的服務器端和客戶端的套接字。19.2.2ServerSocket類和Socket類ServerSocket類用在服務器端?？蛻襞c服務器通信，客戶向服務器提出請求，服務器監(jiān)聽請求，一旦監(jiān)聽到客戶請求，服務器要建立一個套接字。ServerSocket類的構造方法如下。ServerSocket(intport)：創(chuàng)建綁定到指定端口port上的服務器套接字。注意，因為有些端口號已被特殊的服務占用，所以應該選擇大于1023的端口號。ServerSocket(intport,intbacklog)：參數backlog指定最大的隊列數，即服務器所能支持的最大連接數。ServerSocket類提供的主要方法：publicSocketaccept()：調用該方法將阻塞當前系統(tǒng)服務線程，直到有客戶連接。當有客戶連接時，方法返回一個Socket對象。正是通過該Socket對象，服務器才可與客戶通信。publicvoidclose()：關閉ServerSocket對象。19.2.2ServerSocket類和Socket類Socket類是套接字類，它既用在服務器端，也用在客戶端?？蛻艉头掌髦g就是用Socket對象通信的。Socket類的最常用構造方法如下。19.2.2ServerSocket類和Socket類publicSocket(Stringhost,intport)：創(chuàng)建一個套接字對象并將其連接到服務器主機的指定端口上。host為服務器主機名，port為端口號。publicSocket(InetAddressaddress,intport)：創(chuàng)建一個套接字對象并將其連接到指定IP地址的指定端口上。address為服務器主機的IP地址，port為端口號。Socket類提供的主要方法有：publicInputStreangetInputStream()：獲得套接字上綁定的數據輸入流。publicOutputStreamgetOutputStream()：獲得套接字上綁定的數據輸出流。publicInetAddressgetInetAddress()：返回該套接字所連接的IP地址。publicintgetPort()：返回該套接字所連接的遠程端口號。publicsynchronizedvoidclose()throwsIOException：關閉套接字對象。19.2.2ServerSocket類和Socket類（1）雙方創(chuàng)建套接字對象。（2）創(chuàng)建連接到套接字的輸入/輸出流。（3）按照一定協(xié)議對套接字進行讀寫操作。（4）關閉套接字對象。套接字通信基本步驟服務器端程序首先在端口號8080上創(chuàng)建一個ServerSocket對象，然后調用它的accept()方法等待客戶的連接。如果客戶端程序請求連接該服務器，accept()方法將返回一個Socket對象，通過socket對象的getInputStream()方法和getOutputStream()方法分別獲得輸入流和輸出流對象，使用它們與客戶端通信。程序中使用InputStreamReader類將字節(jié)輸入流轉換成字符輸入流。19.2.3簡單的TCP通信的例子TCPServer.java是服務器端程序。try(varserver=newServerSocket(8080);varsocket=server.accept();varis=newBufferedReader(newInputStreamReader(socket.getInputStream()));varos=newPrintWriter(socket.getOutputStream());varinput=newScanner(System.in);){System.out.println("客戶端:"+is.readLine());//顯示從客戶端讀的數據System.out.print("服務器端:");程序19.2TCPServer.javavarline=input.nextLine();//從鍵盤讀一行數據while(!line.equals("bye")){os.println(line);//將數據發(fā)送到客戶端os.flush();System.out.println("客戶端:"+is.readLine());//顯示從客戶端讀的數據System.out.print("服務器端:");line=input.nextLine();//從鍵盤讀一行數據}}catch(Exceptione){System.out.println("發(fā)生異常:"+e);}客戶程序首先建立一個Socket對象，這里需要指定服務器主機名和端口號。如果連接本地主機，可使用locahost主機名或地址。端口號是服務器使用的端口號8080。本例中服務器程序和客戶程序運行在同一臺機器上，如果客戶程序和服務器程序不在一臺計算機上，客戶程序創(chuàng)建Socket時應該指定主機名或IP地址。19.2.3簡單的TCP通信的例子TCPClient.java是客戶端程序。try(varsocket=newSocket("",8080);varis=newBufferedReader(newInputStreamReader(socket.getInputStream()));varos=newPrintWriter(socket.getOutputStream());varinput=newScanner(System.in);){System.out.print("客戶端:");varline=input.nextLine();//從鍵盤讀一行數據程序19.3TCPClient.javawhile(!line.equals("bye")){os.println(line);//將數據發(fā)送到服務器os.flush();//輸出從服務器端讀的一行數據System.out.println("服務器端:"+is.readLine());System.out.print("客戶端:");line=input.nextLine();//從鍵盤讀一行數據}}catch(Exceptione){System.out.println("發(fā)生異常:"+e);}要測試該程序，啟動兩個命令行窗口并且先運行服務器程序，后運行客戶程序，客戶程序先向服務器發(fā)送消息。該程序的運行效果如圖19-6和19-7所示。19.2.3簡單的TCP通信的例子6.1.1課堂討論及訓練Java語言程序設計(第4版)

QQ群：288639486編寫程序，使用ServerSocket類和Socket類編寫一個GUI程序，實現一個簡單的聊天程序，界面如圖所示。Java語言程序設計19.3基于UDP的通信用UDP編寫客戶/服務器程序時，無論是客戶方還是服務器方，首先都要建立一個DatagramSocket對象用來接收或發(fā)送數據報，然后使用DatagramPacket類對象作為傳輸數據的載體。19.3.1DatagramSocket類和DatagramPacket類1.DatagramSocket類DatagramSocket類用于在通信的兩端建立數據報套接字，它的構造方法有：publicDatagramSocket(intport)throwsSocketException：創(chuàng)建數據報套接字，并將它綁定在本地主機指定的端口上。publicDatagramSocket()throwsSocketException：創(chuàng)建數據報套接字，并將它綁定在本地主機一個可用的端口上。DatagramSocket類的常用方法有：publicvoidreceive(DatagramPacketp)throwsIOException：接收一個報文，參數p用來保存接收的報文。publicvoidsend(DatagramPacketp)throwsIOException：發(fā)送一個報文，參數p保存了要發(fā)送的報文。報文包括數據、接收者的IP地址及其端口。publicInetAddressgetInetAddress()：返回該套接字連接的IP地址，如果套接字沒有連接返回null。publicInetAddressgetLocalAddress()：返回套接字綁定的本地IP地址。19.3.1DatagramSocket類和DatagramPacket類2.DatagramPacket類DatagramPacket類用于創(chuàng)建一個數據報，它的構造方法有：publicDatagramPacket(byte[]buf,intlength)：該構造方法創(chuàng)建的對象用于接收數據報。參數buf為數據報文緩沖區(qū)，length為緩沖區(qū)的長度。publicDatagramPacket(byte[]buf,intlength,InetAddressaddress,intport)：該構造方法創(chuàng)建的對象用于發(fā)送數據報。參數buf為數據報文緩沖區(qū)，length為緩沖區(qū)的長度，address為接收方的地址，port為接收方數據報套接字綁定的端口號。19.3.1DatagramSocket類和DatagramPacket類在接收數據之前，應該創(chuàng)建一個DatagramPacket對象，給出接收數據的緩沖區(qū)及長度。然后調用DatagramSocket的receive()方法等待數據報的到來，receive()方法將一直等待，直到有一個數據報到來。19.3.1DatagramSocket類和DatagramPacket類byte[]buf=newbyte[1024];DatagramPacketpacket=newDatagramPacket(buf,1024);socket.receive(packet);//接收數據在發(fā)送數據前，也要生成一個DatagramPacket對象，在給出發(fā)送方的數據緩沖區(qū)及長度的同時，還要給出完整的目標地址，包括IP地址和端口號。發(fā)送數據通過DatagramSocket的send()方法實現的，send()方法根據目的地址選擇路徑。19.3.1DatagramSocket類和DatagramPacket類DatagramPacketpacket=newDatagramPacket(msg,send.length(),clientIP,clientPort);socket.send(packet);//發(fā)送數據下面的實例通過UDP實現通信。該實例實現的功能是客戶端向服務器端發(fā)送一個字符串，服務器端接收該字符串，然后將其轉換成大寫字母，再發(fā)送回客戶端。UDPServer.java是服務器端程序，UDPClient.java是客戶端程序。19.3.2簡單的UDP通信例子 byte[]buf=newbyte[1024]; try{ varsocket=newDatagramSocket(8888); System.out.println("服務器等待..."); while(true){ //用于接收數據的數據報 varpacket=newDatagramPacket(buf,1024); socket.receive(packet); vardata=newString(buf,0,packet.getLength()); if(data.toLowerCase().equals("bye")) break; System.out.println("客戶數據："+data);程序19.4UDPServer.java varsend=data.toUpperCase(); varclientIP=packet.getAddress();//返回客戶端的IP地址 intclientPort=packet.getPort();//返回客戶端的端口號 byte[]msg=send.getBytes(); //用于發(fā)送數據的數據報 varsendPacket=newDatagramPacket( msg,send.length(),clientIP,clientPort); socket.send(sendPacket); } socket.close(); System.out.println("Serverisclosed."); }catch(Exceptione){ e.printStackTrace(); }程序在端口號8888上創(chuàng)建一個數據報套接字socket，然后創(chuàng)建一個接收數據的數據報對象packet，并調用套接字的receive()方法接收數據報。在接收到數據報后，將其轉換成字符串并轉換成大寫字母。接下來創(chuàng)建一個發(fā)送數據的數據報對象sendPacket，然后使用數據報套接字的send()方法將其發(fā)送給客戶端。19.3.2簡單的UDP通信例子byte[]bufsend=newbyte[1024];try{varsocket=newDatagramSocket();varinput=newScanner(System.in);while(true){System.out.print("請輸入字符串：");varmessage=input.nextLine();bufsend=message.getBytes();//用于發(fā)送數據的數據報varpacket=newDatagramPacket( bufsend,message.length(),InetAddress.getLocalHost(),8888);程序19.5UDPClient.java//InetAddress.getByName("")socket.send(packet);if(message.equals("bye"))break;//用于接收數據的數據報byte[]bufrec=newbyte[1024];varreceivePacket= newDatagramPacket(bufrec,bufrec.length);socket.receive(receivePacket);varreceived=newString(bufrec,0,receivePacket.getLength());System.out.println("從服務器返回的字符串："+received);}socket.close();首先啟動服務器，它將等待客戶的請求。啟動客戶端程序，提交一個字符串，服務器返回轉換后的字符串。服務器端程序的運行結果如圖19-8，客戶端程序運行結果如圖19-9所示。Java語言程序設計19.4基于HTTP的通信HTTP是指允許Web服務器和瀏覽器在互聯網上發(fā)送和接收數據的協(xié)議。它是一個基于請求和響應的協(xié)議。客戶端向服務器請求一個資源，服務器對該請求做出響應。HTTP使用可靠的TCP連接，默認端口號是80。19.4.1理解HTTP在HTTP中，先由客戶端建立與服務器的連接并發(fā)送HTTP請求。Web服務器無權聯系客戶端。客戶端和服務器都可以提前終止連接。例如，在使用Web瀏覽器時，可以單擊瀏覽器“停止”按鈕來終止下載文件，關閉與Web服務器的HTTP連接。由客戶向服務器發(fā)出的消息叫HTTP請求。HTTP請求通常包括請求行、請求頭、空行和請求的數據。圖19-10是一個典型的POST請求。HTTP的請求行由三部分組成：方法名、請求資源的URI和HTTP版本。這三部分由空格分隔。圖18.12的請求行中，方法為POST。HTTP1.1版支持7種請求，其中最常用的是GET和POST請求。1.HTTP請求結構URI指定一個Web資源，它通常解釋為相對于服務器的根目錄。因此，它始終以一個正斜杠（/）開頭。圖中的URI為/helloweb/selectProduct.do，使用的協(xié)議與版本為HTTP/1.1。1.HTTP請求結構由服務器向客戶發(fā)送的HTTP消息稱為HTTP響應，HTTP響應也由三部分組成：狀態(tài)行、響應頭和響應的數據。圖19-11所示為一個典型的HTTP響應消息。HTTP響應的狀態(tài)行由三部分組成，各部分由空格分隔：HTTP版本、說明請求結果的狀態(tài)碼以及描述狀態(tài)碼的短語。HTTP定義了許多狀態(tài)碼，常見的狀態(tài)碼是200，它表示請求被正常處理。狀態(tài)行之后的頭行稱為響應頭（responseheader）。響應頭是服務器向客戶端發(fā)送的消息。圖19-11的響應消息中包含三個響應頭。Date響應頭表示消息發(fā)送的日期，Content-Type響應頭指定響應的內容類型，Content-Length指示響應內容的長度。響應頭后面是一空行，空行的后面是響應的數據2.HTTP響應結構2.HTTP響應結構URL稱為統(tǒng)一資源定位器（UniformResourceLocator），它是Web中資源定位的方法。Web資源包括Web頁面、文本文件、圖形文件以及音頻和視頻片段等。19.4.2URL和URL類URL的基本格式為：

<協(xié)議名://><主機名>[<:端口號>]</資源URI名>:80/en/index.htmlhttp://localhost:8080/webstore/selectProduct.do/包中提供了URL類和URLConnection類。使用這兩個類，可以讀寫網絡資源。19.4.2URL和URL類URL類的常用構造方法：

URL(Stringspec)URL(Stringprotocol,Stringhost,Stringfile)URL(Stringprotocol,Stringhost,intport,Stringfile)URL構造方法拋出MalformedURLException異常，當構造方法參數無效就會拋出該異常。因此，當創(chuàng)建URL對象時需要捕獲并處理這個異常。try{URLexampleURL=newURL("");}catch(MalformedURLExceptione){//異常處理代碼}19.4.2URL和URL類URL類提供的常用方法對URL對象的特征查詢和對URL對象的讀操作。StringgetProtocol()StringgetHost()intgetPort()InputStreamopenStream()URLConnectionopenConnection()19.4.2URL和URL類try{varaURL=newURL("/javase/tutorial/"+"/index.html?name=networking#DOWNLOADING");System.out.println("protocol="+aURL.getProtocol());System.out.println("authority="+aURL.getAuthority());System.out.println("host="+aURL.getHost());System.out.println("port="+aURL.getPort());System.out.println("path="+aURL.getPath());System.out.println("query="+aURL.getQuery());System.out.println("filename="+aURL.getFile());System.out.println("ref="+aURL.getRef());}catch(MalformedURLExceptione){System.out.println("URL不合法");}程序19.6ParseURL.java在創(chuàng)建一個URL對象后，可以使用其openStream()方法建立一個連接并返回一個InputStream對象，然后就可以從這個對象上讀取數據。下面的例子說明了該方法的使用，它通過URL對象讀取一個Web頁面信息。讀取Web資源try{varurl=newURL("");varin=newBufferedReader(newInputStreamReader(url.openStream()));varout=newFileWriter("index.html");StringinputLine;while((inputLine=in.readLine())!=null){out.write(inputLine);}in.close();out.close();}catch(MalformedURLExceptionme)