JAVA教程 第八讲 Java网络编程（一）

8.1 网络编程的基本概念，TCP/IP协议简介

8.1.1 网络基础知识

计算机网络形式多样，内容繁杂。网络上的计算机要互相通信，必须遵循一定的协议。目前使用最广泛的网络协议是Internet上所使用的TCP/IP协议

网络编程的目的就是指直接或间接地通过网络协议与其他计算机进行通讯。网络编程中有两个主要的问题，一个是如何准确的定位网络上一台或多台主机，另一个就是找到主机后如何可靠高效的进行数据传输。在TCP/IP协议中IP层主要负责网络主机的定位，数据传输的路由，由IP地址可以唯一地确定Internet上的一台主机。而TCP层则提供面向应用的可靠的或非可靠的数据传输机制，这是网络编程的主要对象，一般不需要关心IP层是如何处理数据的。

目前较为流行的网络编程模型是客户机/服务器（C/S）结构。即通信双方一方作为服务器等待客户提出请求并予以响应。客户则在需要服务时向服务器提出申请。服务器一般作为守护进程始终运行，监听网络端口，一旦有客户请求，就会启动一个服务进程来响应该客户，同时自己继续监听服务端口，使后来的客户也能及时得到服务。

8.1.2网络基本概念

IP地址：标识计算机等网络设备的网络地址，由四个8位的二进制数组成，中间以小数点分隔。

如：166.111.136.3 , 166.111.52.80

主机名(hostname)：网络地址的助记名，按照域名进行分级管理。

如：www.tsinghua.edu.cn

www.fanso.com

端口号(port number)：网络通信时同一机器上的不同进程的标识。

如:80，21，23，25，其中1~1024为系统保留的端口号

服务类型(service)：网络的各种服务。

http, telnet, ftp, smtp

在Internet上IP地址和主机名是一一对应的，通过域名解析可以由主机名得到机器的IP，由于机器名更接近自然语言，容易记忆，所以使用比IP地址广泛，但是对机器而言只有IP地址才是有效的标识符。

通常一台主机上总是有很多个进程需要网络资源进行网络通讯。网络通讯的对象准确的讲不是主机，而应该是主机中运行的进程。这时候光有主机名或IP地址来标识这么多个进程显然是不够的。端口号就是为了在一台主机上提供更多的网络资源而采取得一种手段，也是TCP层提供的一种机制。只有通过主机名或IP地址和端口号的组合才能唯一的确定网络通讯中的对象：进程。

服务类型是在TCP层上面的应用层的概念。基于TCP/IP协议可以构建出各种复杂的应用，服务类型是那些已经被标准化了的应用，一般都是网络服务器（软件）。读者可以编写自己的基于网络的服务器，但都不能被称作标准的服务类型。

8.1.3两类传输协议：TCP；UDP

尽管TCP/IP协议的名称中只有TCP这个协议名，但是在TCP/IP的传输层同时存在TCP和UDP两个协议。

TCP是Tranfer Control Protocol的简称，是一种面向连接的保证可靠传输的协议。通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个socket之间必须建立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个socket（通常都是server socket）等待建立连接时，另一个socket可以要求进行连接，一旦这两个socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送或接收操作。

UDP是User Datagram Protocol的简称，是一种无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。

下面我们对这两种协议做简单比较：

使用UDP时，每个数据报中都给出了完整的地址信息，因此无需要建立发送方和接收方的连接。对于TCP协议，由于它是一个面向连接的协议，在socket之间进行数据传输之前必然要建立连接，所以在TCP中多了一个连接建立的时间。

使用UDP传输数据时是有大小限制的，每个被传输的数据报必须限定在64KB之内。而TCP没有这方面的限制，一旦连接建立起来，双方的socket就可以按统一的格式传输大量的数据。UDP是一个不可靠的协议，发送方所发送的数据报并不一定以相同的次序到达接收方。而TCP是一个可靠的协议，它确保接收方完全正确地获取发送方所发送的全部数据。

总之，TCP在网络通信上有极强的生命力，例如远程连接（Telnet）和文件传输（FTP）都需要不定长度的数据被可靠地传输。相比之下UDP操作简单，而且仅需要较少的监护，因此通常用于局域网高可靠性的分散系统中client/server应用程序。

读者可能要问，既然有了保证可靠传输的TCP协议，为什么还要非可靠传输的UDP协议呢？主要的原因有两个。一是可靠的传输是要付出代价的，对数据内容正确性的检验必然占用计算机的处理时间和网络的带宽，因此TCP传输的效率不如UDP高。二是在许多应用中并不需要保证严格的传输可靠性，比如视频会议系统，并不要求音频视频数据绝对的正确，只要保证连贯性就可以了，这种情况下显然使用UDP会更合理一些。

8.2 基于URL的高层次Java网络编程

8.2.1一致资源定位器URL

URL(Uniform Resource Locator)是一致资源定位器的简称，它表示Internet上某一资源的地址。通过URL我们可以访问Internet上的各种网络资源，比如最常见的WWW，FTP站点。浏览器通过解析给定的URL可以在网络上查找相应的文件或其他资源。

URL是最为直观的一种网络定位方法。使用URL符合人们的语言习惯，容易记忆，所以应用十分广泛。而且在目前使用最为广泛的TCP/IP中对于URL中主机名的解析也是协议的一个标准，即所谓的域名解析服务。使用URL进行网络编程，不需要对协议本身有太多的了解，功能也比较弱，相对而言是比较简单的，所以在这里我们先介绍在Java中如何使用URL进行网络编程来引导读者入门。

8.2.2 URL的组成

protocol://resourceName

协议名（protocol）指明获取资源所使用的传输协议，如http、ftp、gopher、file等，资源名（resourceName）则应该是资源的完整地址，包括主机名、端口号、文件名或文件内部的一个引用。例如：

http://www.sun.com/ 协议名://主机名

http://home.netscape.com/home/welcome.html 协议名://机器名＋文件名

http://www.gamelan.com:80/Gamelan/network.html#BOTTOM 协议名://机器名＋端口号＋文件名＋内部引用

端口号是和Socket编程相关的一个概念，初学者不必在此深究，在后面会有详细讲解。内部引用是HTML中的标记，有兴趣的读者可以参考有关HTML的书籍。

8.2.3 创建一个URL

为了表示URL， java.net中实现了类URL。我们可以通过下面的构造方法来初始化一个URL对象：

（1） public URL (String spec);

　通过一个表示URL地址的字符串可以构造一个URL对象。

　URL urlBase=new URL('http://www. 263.net/')

（2） public URL(URL context, String spec);

　通过基URL和相对URL构造一个URL对象。

　URL net263=new URL ('http://www.263.net/');

　URL index263=new URL(net263, 'index.html')

（3） public URL(String protocol, String host, String file);

　new URL('http', 'www.gamelan.com', '/pages/Gamelan.net. html');

（4） public URL(String protocol, String host, int port, String file);

　URL gamelan=new URL('http', 'www.gamelan.com', 80, 'Pages/Gamelan.network.html');

注意：类URL的构造方法都声明抛弃非运行时例外（MalformedURLException），因此生成URL对象时，我们必须要对这一例外进行处理，通常是用try-catch语句进行捕获。格式如下：

try{

　URL myURL= new URL(…)

}catch (MalformedURLException e){

…

//exception handler code here

…

}

8.2.4 解析一个URL

一个URL对象生成后，其属性是不能被改变的，但是我们可以通过类URL所提供的方法来获取这些属性：

　public String getProtocol() 获取该URL的协议名。

　public String getHost() 获取该URL的主机名。

　public int getPort() 获取该URL的端口号，如果没有设置端口，返回-1。

　public String getFile() 获取该URL的文件名。

　public String getRef() 获取该URL在文件中的相对位置。

　public String getQuery() 获取该URL的查询信息。

　public String getPath() 获取该URL的路径

　public String getAuthority() 获取该URL的权限信息

　public String getUserInfo() 获得使用者的信息

　public String getRef() 获得该URL的锚

下面的例子中，我们生成一个URL对象，并获取它的各个属性。

import java.net.*;

import java.io.*;

public class ParseURL{

public static void main (String [] args) throws Exception{

URL Aurl=new URL('http://java.sun.com:80/docs/books/');

URL tuto=new URL(Aurl,'tutorial.intro.html#DOWNLOADING');

System.out.println('protocol='+ tuto.getProtocol());

System.out.println('host ='+ tuto.getHost());

System.out.println('filename='+ tuto.getFile());

System.out.println('port='+ tuto.getPort());

System.out.println('ref='+tuto.getRef());

System.out.println('query='+tuto.getQuery());

System.out.println('path='+tuto.getPath());

System.out.println('UserInfo='+tuto.getUserInfo());

System.out.println('Authority='+tuto.getAuthority());

}

}

执行结果为：

　protocol=http host =java.sun.com filename=/docs/books/tutorial.intro.html

　port=80

　ref=DOWNLOADING

　query=null

　path=/docs/books/tutorial.intro.html

　UserInfo=null

　Authority=java.sun.com:80

8.2.5 从URL读取WWW网络资源

当我们得到一个URL对象后，就可以通过它读取指定的WWW资源。这时我们将使用URL的方法openStream()，其定义为：

　InputStream openStream();

方法openSteam()与指定的URL建立连接并返回InputStream类的对象以从这一连接中读取数据。

public class URLReader {

public static void main(String[] args) throws Exception {

//声明抛出所有例外

URL tirc = new URL('http://www.tirc1.cs.tsinghua.edu.cn/');

//构建一URL对象

BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(tirc.openStream()));

//使用openStream得到一输入流并由此构造一个BufferedReader对象

String inputLine;

while ((inputLine = in.readLine()) != null)

　//从输入流不断的读数据，直到读完为止

　System.out.println(inputLine); //把读入的数据打印到屏幕上

in.close(); //关闭输入流

}

}

8.2.6 通过URLConnetction连接WWW

通过URL的方法openStream()，我们只能从网络上读取数据，如果我们同时还想输出数据，例如向服务器端的CGI程序发送一些数据，我们必须先与URL建立连接，然后才能对其进行读写，这时就要用到类URLConnection了。CGI是公共网关接口（Common Gateway Interface）的简称，它是用户浏览器和服务器端的应用程序进行连接的接口，有关CGI程序设计，请读者参考有关书籍。

类URLConnection也在包java.net中定义，它表示Java程序和URL在网络上的通信连接。当与一个URL建立连接时，首先要在一个URL对象上通过方法openConnection()生成对应的URLConnection对象。例如下面的程序段首先生成一个指向地址http://edu.chinaren.com/index.shtml的对象，然后用openConnection（）打开该URL对象上的一个连接，返回一个URLConnection对象。如果连接过程失败，将产生IOException.

Try{

URL netchinaren = new URL ('http://edu.chinaren.com/index.shtml');

URLConnectonn tc = netchinaren.openConnection();

}catch(MalformedURLException e){ //创建URL()对象失败

…

}catch (IOException e){ //openConnection()失败

…

}

类URLConnection提供了很多方法来设置或获取连接参数，程序设计时最常使用的是getInputStream()和getOurputStream(),其定义为：

　InputSteram getInputSteram();

　OutputSteram getOutputStream();

通过返回的输入/输出流我们可以与远程对象进行通信。看下面的例子：

URL url =new URL ('http://www.javasoft.com/cgi-bin/backwards');

//创建一URL对象

URLConnectin con=url.openConnection();

//由URL对象获取URLConnection对象

DataInputStream dis=new DataInputStream (con.getInputSteam());

//由URLConnection获取输入流，并构造DataInputStream对象

PrintStream ps=new PrintSteam(con.getOutupSteam());

//由URLConnection获取输出流，并构造PrintStream对象

String line=dis.readLine(); //从服务器读入一行

ps.println('client…'); //向服务器写出字符串 'client…'

其中backwards为服务器端的CGI程序。实际上，类URL的方法openSteam（）是通过URLConnection来实现的。它等价于

openConnection().getInputStream();

基于URL的网络编程在底层其实还是基于下面要讲的Socket接口的。WWW，FTP等标准化的网络服务都是基于TCP协议的，所以本质上讲URL编程也是基于TCP的一种应用。