AI賦能Java語言編程：從入門到高階 課件 第十三章 Java的網(wǎng)絡功能

Java的網(wǎng)絡功能Java'sNetworkFunctionality第十三章目錄01020304網(wǎng)絡編程入門TCP/IP協(xié)議Socket編程Web服務01網(wǎng)絡編程入門13.1網(wǎng)路編程入門13.1.1網(wǎng)絡編程的重要性網(wǎng)絡編程是計算機科學中的一個重要領域，它設計到在網(wǎng)絡環(huán)境中設計和實現(xiàn)應用程序的過程。網(wǎng)絡編程在當今的數(shù)字化時代中扮演著重要的角色，它為開發(fā)人員提供了構建可靠、高效和安全的網(wǎng)絡應用程序所需的工具和技術。網(wǎng)絡編程的重要性：互聯(lián)互通、分布式系統(tǒng)、云計算和虛擬化、實時通信、網(wǎng)絡安全等。13.1網(wǎng)路編程入門13.1.2基本網(wǎng)絡概念通信架構：網(wǎng)絡中設備之間進行通信的方式。它通常包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。這些層次各自負責不同的通信功能，使設備能夠可靠地進行數(shù)據(jù)交換。常見的通信架構有兩種：客戶端服務器（CS）架構和瀏覽器服務器（BS）架構。IP地址：IP（InternetProtocol）全稱“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址”，是網(wǎng)絡中設備之間的通信協(xié)議。每個設備在網(wǎng)絡中都有一個唯一的IP地址，用于標識該設備。IP協(xié)議負責將數(shù)據(jù)從源設備發(fā)送到目標設備，并確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。IP域名：是互聯(lián)網(wǎng)上的一個重要概念，它由一串用點分隔的名字組成，代表一臺計算機或計算機組的名稱。IP域名主要用于在數(shù)據(jù)傳輸時標識計算機的電子方位，以便人們能夠更方便地訪問互聯(lián)網(wǎng)。端口是設備上用于通信的一個虛擬通道，它負責管理和傳輸進出設備的數(shù)據(jù)。每個應用程序在設備上都會分配到一個或多個端口，這樣，它們便能夠與外部的其他設備進行有效通信。端口號則起到了至關重要的作用，它們?yōu)椴煌膽贸绦蛱峁┝霜毺氐臉俗R，確保了數(shù)據(jù)能夠準確無誤地被送達到正確的應用程序。網(wǎng)絡通信協(xié)議是一種網(wǎng)絡通用語言，為連接不同操作系統(tǒng)和不同硬件體系結構的互聯(lián)網(wǎng)絡提供通信支持。它是一組預定義的規(guī)則和約定，用于管理數(shù)據(jù)在計算機網(wǎng)絡中的格式化、傳輸、接收和解釋方式，使得各類設備能夠互相通信，并確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的穩(wěn)定和可靠傳輸。常見的網(wǎng)絡協(xié)議有IP、TCP、UDP、HTTP和FTP等。13.1網(wǎng)路編程入門14.1.3Java的網(wǎng)絡APIJava有一個獨立的用于提供網(wǎng)絡通信功能的API——。這個包中包含了許多用于創(chuàng)建網(wǎng)絡連接、發(fā)送和接受數(shù)據(jù)等功能的類和接口。J包可分為兩類：低級API和高級API。低級API包括地址、套接字（Socket）、接口等；高級API包括URI（通用資源標識符）、URL（統(tǒng)一資源定位器）、Connection等。名稱基本內(nèi)容URL提供訪問網(wǎng)絡資源所需的所有信息，如協(xié)議、主機名、端口等URLConnection提供了應用程序與URL連接并交換數(shù)據(jù)的能力InetAddress用于表示IP地址，可以解析主機名和IP地址ServerSocket和Socket用于在服務器和客戶端之間建立連接，進行數(shù)據(jù)通信DatagramSocket和DatagramPacket用于發(fā)送和接收基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)無連接網(wǎng)絡通信13.1網(wǎng)路編程入門02TCP/IP協(xié)議函數(shù)的參13.2.1概述TCP/IP協(xié)議是一個網(wǎng)絡通訊模型，以及一整個網(wǎng)絡傳輸協(xié)議家族，為互聯(lián)網(wǎng)的基礎通訊架構。TCP/IP協(xié)議常被稱為一組成許多別的協(xié)議的協(xié)議，這些協(xié)議組成了TCP/IP協(xié)議簇。TCP/IP協(xié)議通常被分為四層，每一層都負責不同的功能：1.應用層：這一層包含了各種應用程序使用的協(xié)議，如HTTP（用于Web瀏覽）、FTP（用于文件傳輸）、SMTP（用于電子郵件傳輸）等。應用層協(xié)議通常使用下面一層的服務來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。2.傳輸層：負責建立、維護和釋放連接，提供端到端的可靠或不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。傳輸層的主要協(xié)議是TCP和UDP。TCP提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務，而UDP提供相對不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。13.2TCP/IP3.網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡層負責將數(shù)據(jù)包從源主機發(fā)送到目標主機。它包括IP協(xié)議（用于數(shù)據(jù)包尋址和路由）、ICMP（用于發(fā)送錯誤消息和操作網(wǎng)絡設備）、IGMP（用于組播）等。網(wǎng)絡層還負責數(shù)據(jù)包的轉發(fā)和路由選擇。4.數(shù)據(jù)鏈路層：也稱為網(wǎng)路接口層，它負責在物理媒體上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這層包括操作系統(tǒng)中的設備驅動程序和計算機對應的網(wǎng)絡接口卡（NIC）。網(wǎng)絡接口層將接收到的網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)包通過物理接口發(fā)送到傳輸介質上，或從物理網(wǎng)絡上接收數(shù)據(jù)包，并將其交給網(wǎng)絡層。14.2TCP/IP協(xié)議14.2.2傳輸層與Socket傳輸層位于網(wǎng)絡層和應用層之間，負責總體數(shù)據(jù)的傳輸和控制，是整個協(xié)議層的核心。傳輸層為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信，確保數(shù)據(jù)能夠可靠地在應用程序之間傳輸。這一層有兩個互不相同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。而這些協(xié)議的實現(xiàn)，需要Socket這個工具。Socket也被稱為“套接字”，是通信的端點，用于進程間數(shù)據(jù)交換。它為應用層進程提供了一種利用網(wǎng)絡協(xié)議交換數(shù)據(jù)的機制，是應用程序與網(wǎng)絡協(xié)議棧進行交互的接口。在使用Socket進行網(wǎng)絡編程時，需要先進行網(wǎng)絡環(huán)境的初始化，創(chuàng)建Socket，然后指定需要連接的主機地址和端口號，最后通過讀寫操作來進行數(shù)據(jù)交換。14.2TCP/IP協(xié)議13.2.3應用層與HTTP應用層也稱為應用實體，位于TCP/IP的頂層，是直接為用戶的應用程序提供網(wǎng)絡服務的層級。主要功能包括提供接口、實現(xiàn)通信、數(shù)據(jù)生成和處理、服務請求和響應和會話管理。常見的應用層服務協(xié)議包括HTTP、FTP、SMTP等。HTTP（HyperTextTransferProtocol）全稱為超文本傳輸協(xié)議，主要用于瀏覽器與服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸。HTTP基于請求/響應模型，客戶端向服務器發(fā)送請求，服務器返回響應。HTTP的主要特點包括：1.無狀態(tài)：服務器不會為每個請求保持狀態(tài)；2.明文傳輸：默認使用明文傳輸數(shù)據(jù)，不提供加密；3.靈活：允許使用各種類型的消息（如請求、響應、重定向等）；4.可緩存：HTTP協(xié)議支持緩存，使得客戶端可以在本地存儲數(shù)據(jù)。14.3TCP/IP協(xié)議03Socket編程13.3.1TCP和UDP協(xié)議TCP和UDP時互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）中兩種主要的傳輸層協(xié)議，提供端到端的通信。TCP（TransmissionControlProtocol，傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的協(xié)議。它通過三次握手建立連接，在連接建立后，對數(shù)據(jù)進行分段并為每個分段加上序號，確保數(shù)據(jù)按順序到達目標主機，同時還負責丟失的分段的重傳，提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸和流量控制功能。TCP常用于需要確保數(shù)據(jù)準確性的應用，如文件傳輸或網(wǎng)頁請求等。UDP（UserDatagramProtocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）則是面向無連接的傳輸層協(xié)議，它無序進行連接和維護，直接將應用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)報發(fā)送到網(wǎng)絡上，適用于視頻流、語音通話等對實時性要求較高的應用。13.3Socket編程13.3.2實現(xiàn)過程與建立連接網(wǎng)絡編程的實現(xiàn)主要依賴于SocketAPI。Socket編程基于客戶端-服務器模型，允許客戶端和服務器通過網(wǎng)絡中的Socket連接進行交互。SocketAPI位于包中，使用前需要導入該包。由于網(wǎng)絡通信往往涉及文本數(shù)據(jù)的傳輸，因此java.io包也是必需導入的，以便利用其中的輸入/輸出流處理數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建一個Socket網(wǎng)絡連接通常包括以下幾個步驟： 1.創(chuàng)建Socket對象 2.獲取輸入輸出流 3.數(shù)據(jù)通信 4.處理異常 5.關閉連接13.3Socket編程1.創(chuàng)建Socket對象

客戶端使用Socket類來創(chuàng)建一個Socket對象，該對象代表客戶端到服務器的連接。服務器使用ServerSocket類來監(jiān)聽特定端口上的新連接。Socket需要傳入一個服務器的IP地址和相對應的端口號，ServerSocket則只需一個用于接收信息的端口號。這里我們用本地IP（localhost）和端口號1234。只有客戶端Socket需要IP地址參數(shù)。//客戶端Socketsocket=newSocket("localhost",1234);//服務器端ServerSocketserverSocket=newServerSocket(1234);13.3Socket編程2.獲取輸入輸出流

通過Socket對象，可以獲取輸入流和輸出流。輸入流用于從網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)，輸出流用于向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)。這里可以參考如下的代碼，這是一種發(fā)送和接受信息的方法。需要注意的是，服務器端有一個serverSocket的accept()方法來等待并接收客戶端發(fā)送的信息，通常稱之為“監(jiān)聽”。監(jiān)聽完成后，服務器中會生成一個Socket對象。//客戶端OutputStreamoutputStream=socket.getOutputStream();//輸出PrintWriterprintWriter=newPrintWriter(outputStream,true);//服務器端SocketclientSocket=serverSocket.accept();//監(jiān)聽InputStreaminputStream=clientSocket.getInputStream();//接收13.3Socket編程3.數(shù)據(jù)通信

使用輸入/輸出流進行數(shù)據(jù)的讀取和寫入。常用的輸入/輸出流有DataInputStream、DataOutputStream、BufferedReader和PrintWriter等。按時間順序說，在、客戶端先向服務器端發(fā)送數(shù)據(jù)。服務器接收并處理數(shù)據(jù)，隨后向客戶端輸出回復。該過程中，PrintWriter的println用來輸出，BufferedReader的readline則用來輸入得到的數(shù)據(jù)。//客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)printWriter.println("Hello,Server!");//客戶端接收數(shù)據(jù)StringserverResponse=bufferedReader.readLine();System.out.println("ServerResponse:"+serverResponse);13.3Socket編程//服務器端接收數(shù)據(jù)StringclientMessage=bufferedReader.readLine();System.out.println("ClientMessage:"+clientMessage);//服務器端發(fā)送數(shù)據(jù)OutputStreamoutputStream=clientSocket.getOutputStream();PrintWriterprintWriter=newPrintWriter(outputStream,true);printWriter.println("Hello,Client!");13.3Socket編程4.處理異常

在網(wǎng)絡通信中，可能會遇到各種異常，如IOException。必須妥善處理這些異常，以防止程序崩潰。使用try-catch可以捕獲異常。在捕獲異常后，可以用if-else語句檢查異常類型并嘗試重新建立連接，也可以關閉已經(jīng)打開的相關資源。5.關閉連接

數(shù)據(jù)傳輸完成后，應該關閉Socket連接以釋放資源。使用close()方法可以關閉Socket連接，同時也需要關閉使用到的類和對象。13.3Socket編程//客戶端代碼示例importjava.io.*;import.*;publicclassClientExample{publicstaticvoidmain(String[]args){try{//創(chuàng)建一個Socket連接到服務器Socketsocket=newSocket("localhost",1234);//獲取輸入/輸出流OutputStreamoutputStream=socket.getOutputStream();PrintWriterprintWriter=newPrintWriter(outputStream,true);BufferedReaderbufferedReader=newBufferedReader(newInputStreamReader(socket.getInputStream()));//發(fā)送數(shù)據(jù)printWriter.println("Hello,Server!");//接收數(shù)據(jù)StringserverResponse=bufferedReader.readLine();System.out.println("ServerResponse:"+serverResponse);//關閉連接socket.close();}catch(IOExceptione){e.printStackTrace();}}}

這段代碼在main中開始時用try包圍了可能會拋出異常的代碼，這是網(wǎng)絡通信中必要的操作，然后再try塊中創(chuàng)建了一個Socket對象。Socket(“l(fā)ocalhost”,1234)中l(wèi)ocalhost是服務器的主機名，也可以是服務器的IP地址，1234則是目標主機的1234端口。連接成功后，客戶端會使用OutputStream獲取Socket的輸出流，隨后用PrintWriter和BufferedReader連接到輸入流，向服務器端發(fā)送一條信息。13.3Socket編程//服務器代碼示例importjava.io.*;import.*;publicclassServerExample{publicstaticvoidmain(String[]args){try{//創(chuàng)建一個ServerSocket監(jiān)聽端口ServerSocketserverSocket=newServerSocket(1234);//等待客戶端連接SocketclientSocket=serverSocket.accept();//獲取輸入/輸出流InputStreaminputStream=clientSocket.getInputStream();BufferedReaderbufferedReader=newBufferedReader(newInputStreamReader(inputStream));//接收數(shù)據(jù)StringclientMessage=bufferedReader.readLine();System.out.println("ClientMessage:"+clientMessage);//發(fā)送數(shù)據(jù)OutputStreamoutputStream=clientSocket.getOutputStream();PrintWriterprintWriter=newPrintWriter(outputStream,true);printWriter.println("Hello,Client!");//關閉連接clientSocket.close();serverSocket.close();}catch(IOExceptione){e.printStackTrace();}}}13.3.3數(shù)據(jù)傳輸和處理

輸入流用于從Socket接收數(shù)據(jù)。常見的輸入流有：InputStream,DataInputStream和BufferedReader。Socket提供了getInputStream()方法用于讀取輸入流。方法作用inputStream.read()讀取一個字符，失敗則返回-1inputStream.read(byte[]b)讀取一定數(shù)量的字節(jié)到字節(jié)串中bufferedReader.readline()讀取一整行的文本到字符串中inputStream.available()返回輸入流中可用的字節(jié)數(shù)13.3Socket編程輸出流用于向Socket發(fā)送數(shù)據(jù)。常見的輸出流有：OutputStream和PrintWriter。其中OutputStream是所有輸出流的基類，提供了寫入字節(jié)流的方法。而PrintWriter提供了更方便的方法，如print、println、printf等。輸出流有一個flush()方法，用于清空輸出緩沖區(qū)，確保所有緩沖的數(shù)據(jù)都被寫入到目標流中。方法作用socket.getOutputStream();獲取OutputStreamoutputStream.write(data);將字節(jié)數(shù)據(jù)寫入newPrintwriter(data,true)創(chuàng)建輸出流，true表示自動刷新printwriter.println(data)寫入一行數(shù)據(jù)13.3Socket編程13.3.4多線程和網(wǎng)絡聊天本節(jié)我們將通過實現(xiàn)一個簡單的網(wǎng)絡聊天室來進一步鞏固和加深對Socket的理解。在這個聊天室中，用戶可以在不同的終端上輸入信息并發(fā)送給其他用戶?！纠?4.1】請使用Java的Socket和ServerSocket類來實現(xiàn)一個簡單的網(wǎng)絡聊天室。要求實現(xiàn)以下功能：1.服務器端能夠接收來自客戶端的消息，并將其廣播給其他客戶端。2.客戶端能夠發(fā)送消息到服務器端，并接收來自其他客戶端的消息。3.實現(xiàn)用戶之間的簡單聊天功能，例如發(fā)送和接收文本消息。13.3Socket編程在設計服務器端程序時，我們引入了ClientHandler線程來處理客戶端的連接，這一設計充分運用了多線程技術。每當服務器成功接受一個客戶端的連接請求，它便即時創(chuàng)建一個專屬的ClientHandler線程來管理該客戶端的所有通信需求。這些ClientHandler線程各自獨立運行，彼此之間不共享狀態(tài)，確保了每個客戶端的交互都是獨立且并行的。privateclassClientHandlerextendsThread{privateSocketsocket;privatePrintWriterwriter;publicClientHandler(Socketsocket){this.socket=socket;}publicvoidrun(){……}publicstaticvoidmain(String[]args){newChatServer().start();}}13.3Socket編程04Web服務13.4.1Web服務概述Web服務是一種允許不同機器之間的軟件應用程序通過網(wǎng)絡進行交互的技術。Web服務的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在其跨平臺和跨語言的特性上。這意味著，無論服務端還是客戶端采用何種編程語言或操作系統(tǒng)，Web服務都能夠實現(xiàn)順暢的通信。它基于瀏覽器服務器（BS）架構。此外，Web服務之間的耦合度較低，這使得系統(tǒng)的維護和更新變得更加便捷。Web服務還遵循一系列行業(yè)標準，如HTTP、XML、SOAP、WSDL和UDDI，這些標準保證了不同Web服務之間的互操作性。Web服務的工作原理可以概括為發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和綁定三個步驟。服務提供者首先將Web服務發(fā)布到網(wǎng)絡中，使得潛在的服務請求者能夠發(fā)現(xiàn)這些服務。一旦服務請求者找到了所需的服務，它們就可以通過SOAP協(xié)議進行綁定，并開始進行數(shù)據(jù)交換。13.4Web服務SOAP是一種基于XML的消息協(xié)議，用于在應用程序之間進行通信。它使用HTTP、SMTP或TCP等協(xié)議作為傳輸機制，并支持多種安全性和身份認證機制。通過將請求和響應封裝成XML格式的消息，SOAP實現(xiàn)了跨平臺和跨語言的通信。WSDL是Web服務架構中的一個核心組件。Web服務描述語言（WebServicesDescriptionLanguage，簡稱WSDL）是一種基于XML的規(guī)范，用于描述網(wǎng)絡服務的接口。它提供了一種標準化的方式來聲明網(wǎng)絡服務的操作和消息格式，以及這些操作是如何通過網(wǎng)絡協(xié)議進行調用的。WSDL是實現(xiàn)Web服務互操作性的關鍵技術之一，它使得不同的系統(tǒng)能夠以一種機器可讀的方式進行通信。13.4Web服務WSDL文檔主要由以下幾個元素組成：名稱功能definitionsWSDL文檔的根元素，它定義了整個服務的框架，包括服務名稱、相關端口和操作types定義服務操作中所使用的數(shù)據(jù)類型。這些類型通?；赬MLSchema（XSD）messages（消息元素）定義了在服務操作中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。每個消息至少包含一個part元素，用于定義消息中的數(shù)據(jù)項portType(端口類型元素)定義了一組操作，這些操作由服務提供。每個操作都有一個操作名稱和相關的輸入、輸出消息operation（操作元素）定義了單個服務操作的詳細信息，包括輸入和輸出消息binding（綁定元素）將端口類型與特定的傳輸協(xié)議和消息格式關聯(lián)起來service（服務元素）定義了一組端口，這些端口是可用的網(wǎng)絡訪問點，客戶端可以通過這些端口與Web服務進行交互13.4Web服務13.4.2Java對Web服務的支持Java對Web服務的支持主要通過JavaAPIforXMLWebServices（JAX-WS）來實現(xiàn)。JAX-WS是一個基于Java的Web服務開發(fā)框架，提供了一組API和工具，用于創(chuàng)建和開發(fā)基于SOAP協(xié)議的Web服務。JAX-WS允許開發(fā)者使用Java語言編寫Web服務，并提供了用于創(chuàng)建和發(fā)布Web服務、處理SOAP消息、綁定WSDL等功能的API。13.4Web服務JAX-WS使用注解來標記Web服務類和方法。這些注解是創(chuàng)建JAX-WS服務是通常需要使用的核心注解，它們提供了對Web服務的基本控制和配置。名稱作用@WebService標記一個類為Web服務類，告訴JAX-WS框架該類是一個Web服務@WebMethod標記一個方法為Web服務方法，指定該方法應作為Web服務公開的方法@RequestWrapper和@ResponseWrapper用于自定義請求和響應數(shù)據(jù)的包裝類，控制數(shù)據(jù)的序列化和反序列化@WebParam和@WebResult用于指定參數(shù)和返回值的名稱、數(shù)據(jù)類型等，控制參數(shù)和返回值的序列化和反序列化。@SOAPBinding用于指定SOAP綁定樣式，控制SOAP消息的生成和解析方式。13.4Web服務13.4.3創(chuàng)建和測試Web服務

打開一個新的Java接口，命名為HelloWorldService。在這個接口中，定義一個方法sayHello()，該方法返回一個字符串。packagecom.example.service;importjavax.jws.WebService;importjavax.jws.WebMethod;

@WebServicepublicinterfaceHelloWorldService{@WebMethodStringsayHello(Stringname);}13.4Web服務

創(chuàng)建一個新的Java類，實現(xiàn)HelloWorldService接口，并實現(xiàn)sayHello()方法。在這個方法中，返回一個簡單的字符串“Hello,World!”。packagecom.example.service;importjavax.jws.WebService;

@WebService(endpointInterface="com.example.service.HelloWorldService")//@WebService注解的endpointInterface屬性指定了這個類實現(xiàn)的服務接口路徑。publicclassHelloWorldServiceImplimplementsHelloWorldService{@OverridepublicStringsayHello(Stringname){return"Hello,"+name;}}13.4Web服務

使用JAX-WS的WSDL描述來發(fā)布你的Web服務。編寫一個發(fā)布類，使用Endpoint類發(fā)