1. 什么是TCP/ IP协议?
2. TCP/IP有哪两种传输协议,各有什么特点?
3. 什么是URL?
4. URL和IP地址有什么样的关系?
5. 什么叫套接字(Socket)?
6. 套接字(Socket)和TCP/IP协议的关系?
7. URL和套接字(Socket)的关系?
8.1 网络编程基本概念,TCP/IP协议简介
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。
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。
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。
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.
(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");
URL myURL= new URL(…)
}catch (MalformedURLException e){
… }
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
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
}
}
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.
在传统的UNIX环境下可以操作TCP/IP协议的接口不止Socket一个,Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种,因此两者之间是没有必然联系的。在Java环境下,Socket编程主要是指基于TCP/IP协议的网络编程。
(1)创建Socket;
(2)打开连接到Socket的输入/出流;
(3)按照一定的协议对Socket进行读/写操作;
(4)关闭Socket.
Socket(InetAddress address, int port);
Socket(InetAddress address, int port, boolean stream);
Socket(String host, int prot);
Socket(String host, int prot, boolean stream);
Socket(SocketImpl impl)
Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort)
Socket(InetAddress address, int port, InetAddress localAddr, int localPort)
ServerSocket(int port);
ServerSocket(int port, int backlog);
ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr)
其中address、host和port分别是双向连接中另一方的IP地址、主机名和端口号,stream指明socket是流socket还是数据报socket,localPort表示本地主机的端口号,localAddr和bindAddr是本地机器的地址(ServerSocket的主机地址),impl是socket的父类,既可以用来创建serverSocket又可以用来创建Socket。count则表示服务端所能支持的最大连接数。例如:
Socket client = new Socket("127.0.01.", 80);
ServerSocket server = new ServerSocket(80);
注意,在选择端口时,必须小心。每一个端口提供一种特定的服务,只有给出正确的端口,才能获得相应的服务。0~1023的端口号为系统所保留,例如http服务的端口号为80,telnet服务的端口号为21,ftp服务的端口号为23, 所以我们在选择端口号时,最好选择一个大于1023的数以防止发生冲突。
在创建socket时如果发生错误,将产生IOException,在程序中必须对之作出处理。所以在创建Socket或ServerSocket是必须捕获或抛出例外。
import java.io.*;
import java.net.*;
public class TalkClient {
public static void main(String args[]) {
try{
Socket socket=new Socket("127.0.0.1",4700);
//向本机的4700端口发出客户请求
BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
//由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
PrintWriter os=new PrintWriter(socket.getOutputStream());
//由Socket对象得到输出流,并构造PrintWriter对象
BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
//由Socket对象得到输入流,并构造相应的BufferedReader对象
String readline;
readline=sin.readLine(); //从系统标准输入读入一字符串
while(!readline.equals("bye")){
//若从标准输入读入的字符串为 "bye"则停止循环
os.println(readline);
//将从系统标准输入读入的字符串输出到Server
os.flush();
//刷新输出流,使Server马上收到该字符串
System.out.println("Client:"+readline);
//在系统标准输出上打印读入的字符串
System.out.println("Server:"+is.readLine());
//从Server读入一字符串,并打印到标准输出上
readline=sin.readLine(); //从系统标准输入读入一字符串
} //继续循环
os.close(); //关闭Socket输出流
is.close(); //关闭Socket输入流
socket.close(); //关闭Socket
}catch(Exception e) {
System.out.println("Error"+e); //出错,则打印出错信息
}
}
}
import java.io.*;
import java.net.*;
import java.applet.Applet;
public class TalkServer{
public static void main(String args[]) {
try{
ServerSocket server=null;
try{
server=new ServerSocket(4700);
//创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求
}catch(Exception e) {
System.out.println("can not listen to:"+e);
//出错,打印出错信息
}
try{
socket=server.accept();
//使用accept()阻塞等待客户请求,有客户
//请求到来则产生一个Socket对象,并继续执行
}catch(Exception e) {
System.out.println("Error."+e);
//出错,打印出错信息
}
String line;
BufferedReader is=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
//由Socket对象得到输入流,并构造相应的BufferedReader对象
PrintWriter os=newPrintWriter(socket.getOutputStream());
//由Socket对象得到输出流,并构造PrintWriter对象
BufferedReader sin=new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
//由系统标准输入设备构造BufferedReader对象
//在标准输出上打印从客户端读入的字符串
line=sin.readLine();
//从标准输入读入一字符串
while(!line.equals("bye")){
//如果该字符串为 "bye",则停止循环
os.println(line);
//向客户端输出该字符串
os.flush();
//刷新输出流,使Client马上收到该字符串
System.out.println("Server:"+line);
//在系统标准输出上打印读入的字符串
System.out.println("Client:"+is.readLine());
//从Client读入一字符串,并打印到标准输出上
line=sin.readLine();
//从系统标准输入读入一字符串
} //继续循环
os.close(); //关闭Socket输出流
is.close(); //关闭Socket输入流
socket.close(); //关闭Socket
server.close(); //关闭ServerSocket
}catch(Exception e){
System.out.println("Error:"+e);
//出错,打印出错信息
}
}
}
boolean listening=true;
try{
serverSocket=new ServerSocket(4700);
//创建一个ServerSocket在端口4700监听客户请求
}catch(IOException e) { }
while(listening){ //永远循环监听
new ServerThread(serverSocket.accept(),clientnum).start();
//监听到客户请求,根据得到的Socket对象和
客户计数创建服务线程,并启动之
clientnum++; //增加客户计数
}
serverSocket.close(); //关闭ServerSocket
Socket socket=null; //保存与本线程相关的Socket对象
int clientnum; //保存本进程的客户计数
public ServerThread(Socket socket,int num) { //构造函数
this.socket=socket; //初始化socket变量
clientnum=num+1; //初始化clientnum变量
}
public void run() { //线程主体
try{//在这里实现数据的接受和发送}
TCP,可靠,传输大小无限制,但是需要连接建立时间,差错控制开销大。
UDP,不可靠,差错控制开销较小,传输大小限制在64K以下,不需要建立连接。
DatagramSocket();
DatagramSocket(int prot);
DatagramSocket(int port, InetAddress laddr)
其中,port指明socket所使用的端口号,如果未指明端口号,则把socket连接到本地主机上一个可用的端口。laddr指明一个可用的本地地址。给出端口号时要保证不发生端口冲突,否则会生成SocketException类例外。注意:上述的两个构造方法都声明抛弃非运行时例外SocketException,程序中必须进行处理,或者捕获、或者声明抛弃。
用数据报方式编写client/server程序时,无论在客户方还是服务方,首先都要建立一个DatagramSocket对象,用来接收或发送数据报,然后使用DatagramPacket类对象作为传输数据的载体。下面看一下DatagramPacket的构造方法:
DatagramPacket(byte buf[],int length);
DatagramPacket(byte buf[], int length, InetAddress addr, int port);
DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length);
DatagramPacket(byte[] buf, int offset, int length, InetAddress address, int port);
其中,buf中存放数据报数据,length为数据报中数据的长度,addr和port旨明目的地址,offset指明了数据报的位移量。
在接收数据前,应该采用上面的第一种方法生成一个DatagramPacket对象,给出接收数据的缓冲区及其长度。然后调用DatagramSocket 的方法receive()等待数据报的到来,receive()将一直等待,直到收到一个数据报为止。
DatagramPacket packet=new DatagramPacket(buf, 256);
Socket.receive (packet);
发送数据前,也要先生成一个新的DatagramPacket对象,这时要使用上面的第二种构造方法,在给出存放发送数据的缓冲区的同时,还要给出完整的目的地址,包括IP地址和端口号。发送数据是通过DatagramSocket的方法send()实现的,send()根据数据报的目的地址来寻径,以传递数据报。
DatagramPacket packet=new DatagramPacket(buf, length, address, port);
Socket.send(packet);
在构造数据报时,要给出InetAddress类参数。类InetAddress在包java.net中定义,用来表示一个Internet地址,我们可以通过它提供的类方法getByName()从一个表示主机名的字符串获取该主机的IP地址,然后再获取相应的地址信息。
import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
public class MulticastClient {
public static void main(String args[]) throws IOException
{
MulticastSocket socket=new MulticastSocket(4446);
//创建4446端口的广播套接字
InetAddress address=InetAddress.getByName("230.0.0.1");
//得到230.0.0.1的地址信息
socket.joinGroup(address);
//使用joinGroup()将广播套接字绑定到地址上
DatagramPacket packet;
byte[] buf=new byte[256];
//创建缓冲区
packet=new DatagramPacket(buf,buf.length);
//创建接收数据报
socket.receive(packet); //接收
String received=new String(packet.getData());
//由接收到的数据报得到字节数组,
//并由此构造一个String对象
System.out.println("Quote of theMoment:"+received);
//打印得到的字符串
} //循环5次
socket.leaveGroup(address);
//把广播套接字从地址上解除绑定
socket.close(); //关闭广播套接字
}
}
public class MulticastServer{
public static void main(String args[]) throws java.io.IOException
{
new MulticastServerThread().start();
//启动一个服务器线程
}
}
import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
public class MulticastServerThread extends QuoteServerThread
//从QuoteServerThread继承得到新的服务器线程类MulticastServerThread
{
Private long FIVE_SECOND=5000; //定义常量,5秒钟
public MulticastServerThread(String name) throws IOException
{
super("MulticastServerThread");
//调用父类,也就是QuoteServerThread的构造函数
}
{
while(moreQuotes) {
//根据标志变量判断是否继续循环
try{
byte[] buf=new byte[256];
//创建缓冲区
String dString=null;
if(in==null) dString=new Date().toString();
//如果初始化的时候打开文件失败了,
//则使用日期作为要传送的字符串
else dString=getNextQuote();
//否则调用成员函数从文件中读出字符串
buf=dString.getByte();
//把String转换成字节数组,以便传送send it
InetAddress group=InetAddress.getByName("230.0.0.1");
//得到230.0.0.1的地址信息
DatagramPacket packet=new DatagramPacket(buf,buf.length,group,4446);
//根据缓冲区,广播地址,和端口号创建DatagramPacket对象
socket.send(packet); //发送该Packet
try{
sleep((long)(Math.random()*FIVE_SECONDS));
//随机等待一段时间,0~5秒之间
}catch(InterruptedException e) { } //异常处理
}catch(IOException e){ //异常处理
e.printStackTrace( ); //打印错误栈
}
}
socket.close( ); //关闭广播套接口
}
}
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.Date;
public class QuoteServerThread extends Thread {
protected DatagramSocket socket = null;
protected BufferedReader in = null;
protected boolean moreQuotes = true;
// 无参数的?造函数
this("QuoteServerThread");
// 以QuoteServerThread?默???用?参数的?造函数
}
super(name); // ?用父?的?造函数
socket = new DatagramSocket(4445);
// 在端口4445?建数据?套接字
try {
in = new BufferedReader(new FileReader("one-liners.txt"));
// 打?一个文件,?造相?的BufferReader?象
} catch (FileNotFoundException e) { // ?常?理
System.err
.println("Could not open quote file. Serving time instead.");
// 打印出?信息
}
}
{
while (moreQuotes) {
try {
byte[] buf = new byte[256]; // ?建?冲区
DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);
// 由?冲区?造DatagramPacket?象
socket.receive(packet); // 接收数据?
String dString = null;
if (in == null)
dString = new Date().toString();
// 如果初始化的?候打?文件失?了,
// ?使用日期作?要?送的字符串
else
dString = getNextQuotes();
// 否??用成?函数从文件中?出字符串
buf = dString.getBytes();
// 把String??成字?数?,以便?送
// 从Client端?来的Packet中得到Client地址
int port = packet.getPort(); // 和端口号
packet = new DatagramPacket(buf, buf.length, address, port);
// 根据客?端信息?建DatagramPacket
socket.send(packet); // ?送数据?
} catch (IOException e) { // ?常?理
e.printStackTrace(); // 打印???
moreQuotes = false; // ?志?量置false,以?束循?
}
}
socket.close(); // ??数据?套接字
}
// 成?函数,从文件中?数据
String returnValue = null;
try {
if ((returnValue = in.readLine()) == null) {
// 从文件中?一行,如果?到了文件尾
in.close(); // ???入流
moreQuotes = false;
// ?志?量置false,以?束循?
returnValue = "No more quotes. Goodbye.";
// 置返回?
} // 否?返回字符串即?从文件?出的字符串
} catch (IOException e) { // ?常?理
returnValue = "IOException occurred in server";
// 置?常返回?
}
return returnValue; // 返回字符串
}
}
后续的内容分为两大块,一块是以URL为主线,讲解如何通过URL类和URLConnection类访问WWW网络资源,由于使用URL十分方便直观,尽管功能不是很强,还是值得推荐的一种网络编程方法,尤其是对于初学者特别容易接受。本质上讲,URL网络编程在传输层使用的还是TCP协议。
另一块是以Socket接口和C/S网络编程模型为主线,依次讲解了如何用Java实现基于TCP的C/S结构,主要用到的类有Socket,ServerSocket。以及如何用Java实现基于UDP的C/S结构,还讨论了一种特殊的传输方式,广播方式,这种方式是UDP所特有的,主要用到的类有DatagramSocket , DatagramPacket, MulticastSocket。这一块在Java网络编程中相对而言是最难的(尽管Java在网络编程这方面已经做的够"傻瓜"了,但是网络编程在其他环境下的却是一件极为头痛的事情,再"傻瓜"还是有一定的难度),也是功能最为强大的一部分,读者应该好好研究,领悟其中的思想。