Java編程那些事兒101——網路編程概述

第十三章 網路編程

網路編程對於很多的初學者來說,都是很嚮往的一種編程技能,但是很多的初學者卻因為很長一段時間無法進入網路編程的大門而放棄了對於該部分技術的學習.

在學習網路編程以前,很多初學者可能覺得網路編程是比較複雜的系統工程,需要了解很多和網路相關的基礎知識,其實這些都不是很必需的.來問一個問題：你會打手機嗎？很多人可能說肯定會啊,不就是按按電話號碼,撥打電話嘛,很簡單的事情啊！其實初學者如果入門網路編程的話也可以做到這麼簡單！

網路編程就是在兩個或兩個以上的設備（例如計算機）之間傳輸數據.程序員所作的事情就是把數據發送到指定的位置,或者接收到指定的數據,這個就是狹義的網路編程範疇.在發送和接收數據時,大部分的程序設計語言都設計了專門的API實現這些功能,程序員只需要調用即可.,基礎的網路編程可以和打電話一樣簡單.

下面就開始Java語言的網路編程技術學習吧.

13.1 網路概述

網路編程技術是當前一種主流的編程技術,隨著聯網趨勢的逐步增強以及網路應用程序的大量出現,在實際的開發中網路編程技術獲得了大量的使用.本章中以淺顯的基礎知識說明和實際的案例使廣大初學者能夠進入網路編程技術的大門,至於以後的實際修行就要閱讀進階的書籍以及進行大量的實際練習.

13.1.1 計算機網路概述

網路編程的實質就是兩個（或多個）設備（例如計算機）之間的數據傳輸.

按照計算機網路的定義,通過一定的物理設備將處於不同位置的計算機連接起來組成的網路,這個網路中包含的設備有：計算機、路由器、交換機等等.

其實從軟體編程的角度來說,對於物理設備的理解不需要很深刻,就像你打電話時不需要很熟悉通信網路的底層實現是一樣的,但是當深入到網路編程的底層時,這些基礎知識是必須要補的.

路由器和交換機組成了核心的計算機網路,計算機只是這個網路上的節點以及控制等,通過光纖、網線等連接將設備連接起來,從而形成了一張巨大的計算機網路.

網路最主要的優勢在於共享：共享設備和數據,現在共享設備最常見的是印表機,一個公司一般一個印表機即可,共享數據就是將大量的數據存儲在一組機器中,其它的計算機通過網路訪問這些數據,例如網站、銀行伺服器等等.

如果需要了解更多的網路硬體基礎知識,可以閱讀《計算機網路》教材,對於基礎進行強化,這個在基礎學習階段不是必須的,但是如果想在網路編程領域有所造詣,則是一個必須的基本功.

對於網路編程來說,最主要的是計算機和計算機之間的通信,這樣首要的問題就是如何找到網路上的計算機呢？這就需要了解IP地址的概念.

為了能夠方便的識別網路上的每個設備,網路中的每個設備都會有一個唯一的數字標識,這個就是IP地址.在計算機網路中,現在命名IP地址的規定是IPv4協議,該協議規定每個IP地址由4個0-255之間的數字組成,例如10.0.120.34.每個接入網路的計算機都擁有唯一的IP地址,這個IP地址可能是固定的,例如網路上各種各樣的伺服器,也可以是動態的,例如使用ADSL撥號上網的寬頻用戶,無論以何種方式獲得或是否是固定的,每個計算機在聯網以後都擁有一個唯一的合法IP地址,就像每個手機號碼一樣.

但是由於IP地址不容易記憶,為了方便記憶,有創造了另外一個概念——域名（Domain Name）,例如sohu.com等.一個IP地址可以對應多個域名,一個域名只能對應一個IP地址.域名的概念可以類比手機中的通訊簿,由於手機號碼不方便記憶,添加一個姓名標識號碼,在實際撥打電話時可以選擇該姓名,然後撥打即可.

在網路中傳輸的數據,全部是以IP地址作為地址標識,在實際傳輸數據以前需要將域名轉換為IP地址,實現這種功能的伺服器稱之為DNS伺服器,也就是通俗的說法叫做域名解析.例如當用戶在瀏覽器輸入域名時,瀏覽器請求DNS伺服器,將域名轉換為IP地址,然後將轉換后的IP地址反饋給瀏覽器,然後再進行實際的數據傳輸.

當DNS伺服器正常工作時,使用IP地址或域名都可以很方便的找到計算機網路中的某個設備,例如伺服器計算機.當DNS不正常工作時,只能通過IP地址訪問該設備.IP地址的使用要比域名通用一些.

IP地址和域名很好的解決了在網路中找到一個計算機的問題,但是為了讓一個計算機可以同時運行多個網路程序,就引入了另外一個概念——埠（port）.

在介紹埠的概念以前,來看一個例子,一般一個公司前台會有一個電話,每個員工會有一個分機,這樣如果需要找到這個員工的話,需要撥打前台總機,然後轉該分機號即可.這樣減少了公司的開銷,也方便了每個員工.在該示例中前台總機的電話號碼就相當於IP地址,而每個員工的分機號就相當於埠.

有了埠的概念以後,在同一個計算機中每個程序對應唯一的埠,這樣一個計算機上就可以通過埠區分發送給每個埠的數據了,換句話說,也就是一個計算機上可以併發運行多個網路程序,而不會在互相之間產生干擾.

在硬體上規定,埠的號碼必須位於0-65535之間,每個埠唯一的對應一個網路程序,一個網路程序可以使用多個埠.這樣一個網路程序運行在一台計算上時,不管是客戶端還是伺服器,都是至少佔用一個埠進行網路通訊.在接收數據時,發送給對應的計算機,然後計算機根據埠把數據轉發給對應的程序.

有了IP地址和埠的概念以後,在進行網路通訊交換時,就可以通過IP地址查找到該台計算機,然後通過埠標識這台計算機上的一個唯一的程序.這樣就可以進行網路數據的交換了.

但是,進行網路編程時,只有IP地址和埠的概念還是不夠的,下面就介紹一下基礎的網路編程相關的軟體基礎知識.

13.1. 2 網路編程概述

按照前面的介紹,網路編程就是兩個或多個設備之間的數據交換,其實更具體的說,網路編程就是兩個或多個程序之間的數據交換,和普通的單機程序相比,網路程序最大的不同就是需要交換數據的程序運行在不同的計算機上,這樣就造成了數據交換的複雜.雖然通過IP地址和埠可以找到網路上運行的一個程序,但是如果需要進行網路編程,則還需要了解網路通訊的過程.

網路通訊基於「請求-響應」模型.為了理解這個模型,先來看一個例子,經常看電視的人肯定見過審訊的場面吧,一般是這樣的：

警察：姓名

嫌疑犯：XXX

警察：性別

嫌疑犯：男

警察：年齡

嫌疑犯：29

……

在這個例子中,警察問一句,嫌疑犯回答一句,如果警察不問,則嫌疑犯保持沉默.這種一問一答的形式就是網路中的「請求-響應」模型.也就是通訊的一端發送數據,另外一端反饋數據,網路通訊都基於該模型.

在網路通訊中,第一次主動發起通訊的程序被稱作客戶端（Client）程序,簡稱客戶端,而在第一次通訊中等待連接的程序被稱作伺服器端（Server）程序,簡稱伺服器.一旦通訊建立,則客戶端和伺服器端完全一樣,沒有本質的區別.

由此,網路編程中的兩種程序就分別是客戶端和伺服器端,例如QQ程序,每個QQ用戶安裝的都是QQ客戶端程序,而QQ伺服器端程序則運行在騰訊公司的機房中,為大量的QQ用戶提供服務.這種網路編程的結構被稱作客戶端/伺服器結構,也叫做Client/Server結構,簡稱C/S結構.

使用C/S結構的程序,在開發時需要分別開發客戶端和伺服器端,這種結構的優勢在於由於客戶端是專門開發的,根據需要實現各種效果,專業點說就是表現力豐富,而伺服器端也需要專門進行開發.但是這種結構也存在著很多不足,例如通用性差,幾乎不能通用等,也就是說一種程序的客戶端只能和對應的伺服器端通訊,而不能和其它伺服器端通訊,在實際維護時,也需要維護專門的客戶端和伺服器端,維護的壓力比較大.

其實在運行很多程序時,沒有必要使用專用的客戶端,而需要使用通用的客戶端,例如瀏覽器,使用瀏覽器作為客戶端的結構被稱作瀏覽器/伺服器結構,也叫做Browser/Server結構,簡稱為B/S結構.

使用B/S結構的程序,在開發時只需要開發伺服器端即可,這種結構的優勢在於開發的壓力比較小,不需要維護客戶端.但是這種結構也存在著很多不足,例如瀏覽器的限制比較大,表現力不強,無法進行系統級操作等.

總之C/S結構和B/S結構是現在網路編程中常見的兩種結構,B/S結構其實也就是一種特殊的C/S結構.

另外簡單的介紹一下P2P（Point to Point）程序,常見的如BT、電驢等.P2P程序是一種特殊的程序,應該一個P2P程序中既包含客戶端程序,也包含伺服器端程序,例如BT,使用客戶端程序部分連接其它的種子（伺服器端）,而使用伺服器端向其它的BT客戶端傳輸數據.如果這個還不是很清楚,其實P2P程序和手機是一樣的,當手機撥打電話時就是使用客戶端的作用,而手機處於待機狀態時,可以接收到其它用戶撥打的電話則起的就是伺服器端的功能,只是一般的手機不能同時使用撥打電話和接聽電話的功能,而P2P程序實現了該功能.

再介紹一個網路編程中最重要,也是最複雜的概念——協議（Protocol）.按照前面的介紹,網路編程就是運行在不同計算機中兩個程序之間的數據交換.在實際進行數據交換時,為了讓接收端理解該數據,計算機比較笨,什麼都不懂的,那麼就需要規定該數據的格式,這個數據的格式就是協議.

如果沒有理解協議的概念,那麼再舉一個例子,記得有個電影叫《永不消逝的電波》,講述的是地下黨通過電台發送情報的故事,這裡我們不探討電影的劇情,而只關心電台發送的數據.在實際發報時,需要將需要發送的內容轉換為電報編碼,然後將電報編碼發送出去,而接收端接收的是電報編碼,如果需要理解電報的內容則需要根據密碼本翻譯出該電報的內容.這裡的密碼本就規定了一種數據格式,這種對於網路中傳輸的數據格式在網路編程中就被稱作協議.

那麼如何來編寫協議格式呢？答案是隨意.只要按照這種協議格式能夠生成唯一的編碼,按照該編碼可以唯一的解析出發送數據的內容即可.也正因為各個網路程序之間協議格式的不同,才導致了客戶端程序都是專用的結構.

在實際的網路程序編程中,最麻煩的內容不是數據的發送和接收,因為這個功能在幾乎所有的程序語言中都提供了封裝好的API進行調用,最麻煩的內容就是協議的設計以及協議的生產和解析,這個才是網路編程中最核心的內容.

關於網路編程的基礎知識,就介紹這裡,深刻理解IP地址、埠和協議等概念,將會極大的有助於後續知識的學習.