第九章 网络编程基础.doc

第九章 网络编程基础教学重点与难点重点：Java网络包（）。难点：套接口类、TCP协议。教学时数：4/6教学内容：网络编程概述，Internet网络通信协议，Java网络包（），使用TCP协议的Socket网络编程，套接口类(Socket)。教学方式：讲授，投影演示。教学要求：了解网络编程和Internet网络通信协议，掌握Java网络包（）。重点掌握使用TCP协议的Socket网络编程。 网络编程         网络编程对于很多的初学者来说，都是很向往的一种编程技能，但是很多的初学者却因为很长一段时间无法进入网络编程的大门而放弃了对于该部分技术的学习。         在学习网络编程以前，很多初学者可能觉得网络编程是比较复杂的系统工程，需要了解很多和网络相关的基础知识，其实这些都不是很必需的。首先来问一个问题：你会用手机吗？很多人可能说肯定会啊，不就是按按电话号码，拨打电话嘛，很简单的事情啊！其实初学者如果入门网络编程的话也可以做到这么简单！         网络编程就是在两个或两个以上的设备(例如计算机)之间传输数据。程序员所作的事情就是把数据发送到指定的位置，或者接收到指定的数据，这个就是狭义的网络编程范畴。在发送和接收数据时，大部分的程序设计语言都设计了专门的API实现这些功能，程序员只需要调用即可。所以，基础的网络编程可以和打电话一样简单。         下面就开始Java语言的网络编程技术学习吧。网络概述         网络编程技术是当前一种主流的编程技术，随着联网趋势的逐步增强以及网络应用程序的大量出现，所以在实际的开发中网络编程技术获得了大量的使用。本章中以浅显的基础知识说明和实际的案例使广大初学者能够进入网络编程技术的大门，至于以后的实际修行就要阅读进阶的书籍以及进行大量的实际练习。计算机网络概述         网络编程的实质就是两个(或多个)设备(例如计算机)之间的数据传输。         按照计算机网络的定义，通过一定的物理设备将处于不同位置的计算机连接起来组成的网络，这个网络中包含的设备有：计算机、路由器、交换机等等。         其实从软件编程的角度来说，对于物理设备的理解不需要很深刻，就像你打电话时不需要很熟悉通信网络的底层实现是一样的，但是当深入到网络编程的底层时，这些基础知识是必须要补的。         路由器和交换机组成了核心的计算机网络，计算机只是这个网络上的节点以及控制等，通过光纤、网线等连接将设备连接起来，从而形成了一张巨大的计算机网络。         网络最主要的优势在于共享：共享设备和数据，现在共享设备最常见的是打印机，一个公司一般一个打印机即可，共享数据就是将大量的数据存储在一组机器中，其它的计算机通过网络访问这些数据，例如网站、银行服务器等等。         如果需要了解更多的网络硬件基础知识，可以阅读计算机网络教材，对于基础进行强化，这个在基础学习阶段不是必须的，但是如果想在网络编程领域有所造诣，则是一个必须的基本功。         对于网络编程来说，最主要的是计算机和计算机之间的通信，这样首要的问题就是如何找到网络上的计算机呢？这就需要了解IP地址的概念。         为了能够方便的识别网络上的每个设备，网络中的每个设备都会有一个唯一的数字标识，这个就是IP地址。在计算机网络中,现在命名IP地址的规定是IPv4协议，该协议规定每个IP地址由4个0-255之间的数字组成，例如10.0.120.34。每个接入网络的计算机都拥有唯一的IP地址，这个IP地址可能是固定的，例如网络上各种各样的服务器，也可以是动态的，例如使用ADSL拨号上网的宽带用户，无论以何种方式获得或是否是固定的，每个计算机在联网以后都拥有一个唯一的合法IP地址，就像每个手机号码一样。         但是由于IP地址不容易记忆，所以为了方便记忆，有创造了另外一个概念域名(Domain Name)，例如等。一个IP地址可以对应多个域名，一个域名只能对应一个IP地址。域名的概念可以类比手机中的通讯簿，由于手机号码不方便记忆，所以添加一个姓名标识号码，在实际拨打电话时可以选择该姓名，然后拨打即可。         在网络中传输的数据，全部是以IP地址作为地址标识，所以在实际传输数据以前需要将域名转换为IP地址，实现这种功能的服务器称之为DNS服务器，也就是通俗的说法叫做域名解析。例如当用户在浏览器输入域名时，浏览器首先请求DNS服务器，将域名转换为IP地址，然后将转换后的IP地址反馈给浏览器，然后再进行实际的数据传输。         当DNS服务器正常工作时，使用IP地址或域名都可以很方便的找到计算机网络中的某个设备，例如服务器计算机。当DNS不正常工作时，只能通过IP地址访问该设备。所以IP地址的使用要比域名通用一些。         IP地址和域名很好的解决了在网络中找到一个计算机的问题，但是为了让一个计算机可以同时运行多个网络程序，就引入了另外一个概念端口(port)。         在介绍端口的概念以前，首先来看一个例子，一般一个公司前台会有一个电话，每个员工会有一个分机，这样如果需要找到这个员工的话，需要首先拨打前台总机，然后转该分机号即可。这样减少了公司的开销，也方便了每个员工。在该示例中前台总机的电话号码就相当于IP地址，而每个员工的分机号就相当于端口。         有了端口的概念以后，在同一个计算机中每个程序对应唯一的端口，这样一个计算机上就可以通过端口区分发送给每个端口的数据了，换句话说，也就是一个计算机上可以并发运行多个网络程序，而不会在互相之间产生干扰。         在硬件上规定，端口的号码必须位于0-65535之间，每个端口唯一的对应一个网络程序，一个网络程序可以使用多个端口。这样一个网络程序运行在一台计算上时，不管是客户端还是服务器，都是至少占用一个端口进行网络通讯。在接收数据时，首先发送给对应的计算机，然后计算机根据端口把数据转发给对应的程序。         有了IP地址和端口的概念以后，在进行网络通讯交换时，就可以通过IP地址查找到该台计算机，然后通过端口标识这台计算机上的一个唯一的程序。这样就可以进行网络数据的交换了。         但是，进行网络编程时，只有IP地址和端口的概念还是不够的，下面就介绍一下基础的网络编程相关的软件基础知识。         按照前面的介绍，网络编程就是两个或多个设备之间的数据交换，其实更具体的说，网络编程就是两个或多个程序之间的数据交换，和普通的单机程序相比，网络程序最大的不同就是需要交换数据的程序运行在不同的计算机上，这样就造成了数据交换的复杂。虽然通过IP地址和端口可以找到网络上运行的一个程序，但是如果需要进行网络编程，则还需要了解网络通讯的过程。         网络通讯基于“请求-响应”模型。为了理解这个模型，先来看一个例子，经常看电视的人肯定见过审讯的场面吧，一般是这样的：                   警察：姓名                   嫌疑犯：XXX                   警察：性别                   嫌疑犯：男                   警察：年龄                   嫌疑犯：29                            在这个例子中，警察问一句，嫌疑犯回答一句，如果警察不问，则嫌疑犯保持沉默。这种一问一答的形式就是网络中的“请求-响应”模型。也就是通讯的一端发送数据，另外一端反馈数据，网络通讯都基于该模型。         在网络通讯中，第一次主动发起通讯的程序被称作客户端(Client)程序，简称客户端，而在第一次通讯中等待连接的程序被称作服务器端(Server)程序，简称服务器。一旦通讯建立，则客户端和服务器端完全一样，没有本质的区别。         由此，网络编程中的两种程序就分别是客户端和服务器端，例如QQ程序，每个QQ用户安装的都是QQ客户端程序，而QQ服务器端程序则运行在腾讯公司的机房中，为大量的QQ用户提供服务。这种网络编程的结构被称作客户端/服务器结构，也叫做Client/Server结构，简称C/S结构。         使用C/S结 构的程序，在开发时需要分别开发客户端和服务器端，这种结构的优势在于由于客户端是专门开发的，所以根据需要实现各种效果，专业点说就是表现力丰富，而服 务器端也需要专门进行开发。但是这种结构也存在着很多不足，例如通用性差，几乎不能通用等，也就是说一种程序的客户端只能和对应的服务器端通讯，而不能和 其它服务器端通讯，在实际维护时，也需要维护专门的客户端和服务器端，维护的压力比较大。         其实在运行很多程序时，没有必要使用专用的客户端，而需要使用通用的客户端，例如浏览器，使用浏览器作为客户端的结构被称作浏览器/服务器结构，也叫做Browser/Server结构，简称为B/S结构。         使用B/S结构的程序，在开发时只需要开发服务器端即可，这种结构的优势在于开发的压力比较小，不需要维护客户端。但是这种结构也存在着很多不足，例如浏览器的限制比较大，表现力不强，无法进行系统级操作等。         总之C/S结构和B/S结构是现在网络编程中常见的两种结构，B/S结构其实也就是一种特殊的C/S结构。         另外简单的介绍一下P2P(Point to Point)程序，常见的如BT、电驴等。P2P程序是一种特殊的程序，应该一个P2P程序中既包含客户端程序，也包含服务器端程序，例如BT，使用客户端程序部分连接其它的种子(服务器端)，而使用服务器端向其它的BT客户端传输数据。如果这个还不是很清楚，其实P2P程序和手机是一样的，当手机拨打电话时就是使用客户端的作用，而手机处于待机状态时，可以接收到其它用户拨打的电话则起的就是服务器端的功能，只是一般的手机不能同时使用拨打电话和接听电话的功能，而P2P程序实现了该功能。         最后再介绍一个网络编程中最重要，也是最复杂的概念协议(Protocol)。按照前面的介绍，网络编程就是运行在不同计算机中两个程序之间的数据交换。在实际进行数据交换时，为了让接收端理解该数据，计算机比较笨，什么都不懂的，那么就需要规定该数据的格式，这个数据的格式就是协议。         如果没有理解协议的概念，那么再举一个例子，记得有个电影叫永不消逝的电波，讲述的是地下党通过电台发送情报的故事，这里我们不探讨电影的剧情，而只关心电台发送的数据。在实际发报时，需要首先将需要发送的内容转换为电报编码，然后将电报编码发送出去，而接收端接收的是电报编码，如果需要理解电报的内容 则需要根据密码本翻译出该电报的内容。这里的密码本就规定了一种数据格式，这种对于网络中传输的数据格式在网络编程中就被称作协议。         那么如何来编写协议格式呢？答案是随意。只要按照这种协议格式能够生成唯一的编码，按照该编码可以唯一的解析出发送数据的内容即可。也正因为各个网络程序之间协议格式的不同，所以才导致了客户端程序都是专用的结构。         在实际的网络程序编程中，最麻烦的内容不是数据的发送和接收，因为这个功能在几乎所有的程序语言中都提供了封装好的API进行调用，最麻烦的内容就是协议的设计以及协议的生产和解析，这个才是网络编程中最核心的内容。         关于网络编程的基础知识，就介绍这里，深刻理解IP地址、端口和协议等概念，将会极大的有助于后续知识的学习。网络通讯方式         在现有的网络中，网络通讯的方式主要有两种：1、 TCP(传输控制协议)方式2、 UDP(用户数据报协议)方式为 了方便理解这两种方式，还是先来看一个例子。大家使用手机时，向别人传递信息时有两种方式：拨打电话和发送短信。使用拨打电话的方式可以保证将信息传递给 别人，因为别人接听电话时本身就确认接收到了该信息。而发送短信的方式价格低廉，使用方便，但是接收人有可能接收不到。在网络通讯中，TCP方式就类似于拨打电话，使用该种方式进行网络通讯时，需要建立专门的虚拟连接，然后进行可靠的数据传输，如果数据发送失败，则客户端会自动重发该数据。而UDP方式就类似于发送短信，使用这种方式进行网络通讯时，不需要建立专门的虚拟连接，传输也不是很可靠，如果发送失败则客户端无法获得。这两种传输方式都是实际的网络编程中进行使用，重要的数据一般使用TCP方式进行数据传输，而大量的非核心数据则都通过UDP方式进行传递，在一些程序中甚至结合使用这两种方式进行数据的传递。由于TCP需要建立专用的虚拟连接以及确认传输是否正确，所以使用TCP方式的速度稍微慢一些，而且传输时产生的数据量要比UDP稍微大一些。         关于网络编程的基础知识就介绍这么多，如果需要深入了解相关知识请阅读专门的计算机网络书籍，下面开始介绍Java语言中网络编程的相关技术。 网络编程技术         前面介绍了网络编程的相关基础知识，初步建立了网络编程的概念，但是实际学习网络编程还必须使用某种程序设计语言进行代码实现，下面就介绍一下网络编程的代码实现。网络编程步骤         按照前面的基础知识介绍，无论使用TCP方式还是UDP方式进行网络通讯，网络编程都是由客户端和服务器端组成。当然，B/S结构的编程中只需要实现服务器端即可。所以，下面介绍网络编程的步骤时，均以C/S结构为基础进行介绍。         说明：这里的步骤实现和语言无关，也就是说，这个步骤适用于各种语言实现，不局限于Java语言。客户端网络编程步骤         客户端(Client)是指网络编程中首先发起连接的程序，客户端一般实现程序界面和基本逻辑实现，在进行实际的客户端编程时，无论客户端复杂还是简单，以及客户端实现的方式，客户端的编程主要由三个步骤实现：1、 建立网络连接客户端网络编程的第一步都是建立网络连接。在建立网络连接时需要指定连接到的服务器的IP地址和端口号，建立完成以后，会形成一条虚拟的连接，后续的操作就可以通过该连接实现数据交换了。2、 交换数据连接建立以后，就可以通过这个连接交换数据了。交换数据严格按照请求响应模型进行，由客户端发送一个请求数据到服务器，服务器反馈一个响应数据给客户端，如果客户端不发送请求则服务器端就不响应。根据逻辑需要，可以多次交换数据，但是还是必须遵循请求响应模型。3、 关闭网络连接在数据交换完成以后，关闭网络连接，释放程序占用的端口、内存等系统资源，结束网络编程。         最基本的步骤一般都是这三个步骤，在实际实现时，步骤2会出现重复，在进行代码组织时，由于网络编程是比较耗时的操作，所以一般开启专门的现场进行网络通讯。服务器端网络编程步骤         服务器端(Server)是指在网络编程中被动等待连接的程序，服务器端一般实现程序的核心逻辑以及数据存储等核心功能。服务器端的编程步骤和客户端不同，是由四个步骤实现，依次是：1、 监听端口服务器端属于被动等待连接，所以服务器端启动以后，不需要发起连接，而只需要监听本地计算机的某个固定端口即可。这个端口就是服务器端开放给客户端的端口，服务器端程序运行的本地计算机的IP地址就是服务器端程序的IP地址。2、 获得连接当客户端连接到服务器端时，服务器端就可以获得一个连接，这个连接包含客户端的信息，例如客户端IP地址等等，服务器端和客户端也通过该连接进行数据交换。一般在服务器端编程中，当获得连接时，需要开启专门的线程处理该连接，每个连接都由独立的线程实现。3、 交换数据服务器端通过获得的连接进行数据交换。服务器端的数据交换步骤是首先接收客户端发送过来的数据，然后进行逻辑处理，再把处理以后的结果数据发送给客户端。简单来说，就是先接收再发送，这个和客户端的数据交换数序不同。其实，服务器端获得的连接和客户端连接是一样的，只是数据交换的步骤不同。当然，服务器端的数据交换也是可以多次进行的。在数据交换完成以后，关闭和客户端的连接。4、 关闭连接当服务器程序关闭时，需要关闭服务器端，通过关闭服务器端使得服务器监听的端口以及占用的内存可以释放出来，实现了连接的关闭。         其实服务器端编程的模型和呼叫中心的实现是类似的，例如移动的客服电话10086就是典型的呼叫中心，当一个用户拨打10086时，转接给一个专门的客服人员，由该客服实现和该用户的问题解决，当另外一个用户拨打10086时，则转接给另一个客服，实现问题解决，依次类推。         在服务器端编程时，10086这个电话号码就类似于服务器端的端口号码，每个用户就相当于一个客户端程序，每个客服人员就相当于服务器端启动的专门和客户端连接的线程，每个线程都是独立进行交互的。         这就是服务器端编程的模型，只是TCP方式是需要建立连接的，对于服务器端的压力比较大，而UDP是不需要建立连接的，对于服务器端的压力比较小罢了。小结         总之，无论使用任何语言，任何方式进行基础的网络编程，都必须遵循固定的步骤进行操作，在熟悉了这些步骤以后，可以根据需要进行逻辑上的处理，但是还是必须遵循固定的步骤进行。         其实，基础的网络编程本身不难，也不需要很多的基础网络知识，只是由于编程的基础功能都已经由API实现，而且需要按照固定的步骤进行，所以在入门时有一定的门槛，希望下面的内容能够将你快速的带入网络编程技术的大门。