第10章 网络编程教学设计.docx

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第10章网络编程教学设计

传智播客

《Java基础入门》

教学设计

课程名称：

Java基础教程

授课年级：

2014年级

授课学期：

2014学年第一学期

教师姓名：

某某老师

2014年05月14日

课题名称

第10章网络编程

计划学时

4课时

内容分析

网络编程是指在计算机上编写一些实现网络连接的程序，这些程序可以实现同一网络中的计算机之间的通信。

本章将针对网络编程的相关知识进行详细地讲解，并结合程序学习如何使用Java编写网络程序。

教学目标及基本要求

通过对本章的学习，要求学生了解网络通信协议，TCP/IP协议的特点、熟悉IP地址和端口号的作用、InetAddress对象的使用、掌握UDP和TCP通信方式、ServerSocket、Socket、DatagramPacket、DatagramSocket类的使用。

重点及措施

教学重点：

TCP/IP协议、UDP和TCP通信、ServerSocket、Socket、DatagramPacket、DatagramSocket类的使用方法。

难点及措施

教学难点：

TCP/IP协议、UDP和TCP通信、ServerSocket、Socket、DatagramPacket、DatagramSocket类的使用方法。

教学方式

教学采用教师课堂讲授为主，使用教学PPT讲解

教

学

过

程

第一课时

（网络通信协议、IP地址和端口号、InetAddress、UDP与TCP协议）

网络通信协议

在计算机网络中，实现计算机连接和通信的规则被称为网络通信协议，它对数据的传输格式、传输速率、传输步骤等做了统一规定，通信双方必须同时遵守才能完成数据交换。

网络通信协议有很多种，目前应用最广泛的是TCP/IP协议，它是一个包括TCP协议和IP协议，UDP协议、ICMP协议和其它一些协议的协议组。

在学习具体协议之前首先了解一下TCP/IP协议组的层次结构。

TCP/IP协议的层次结构比较简单，共分为四层：

应用层、传输层、网络层和链路层，每层分别负责不同的通信功能，接下来针对这四层进行详细地讲解。

●链路层：

链路层是用于定义物理传输通道，通常是对某些网络连接设备的驱动协议，例如针对光纤、双绞线提供的驱动。

●网络层：

网络层是整个TCP/IP协议的核心，它主要用于将传输的数据进行分组，将分组数据发送到目标计算机或者网络。

●运输层：

主要使网络程序进行通信，在进行网络通信时，可以采用TCP协议，也可以采用UDP协议。

●应用层：

主要负责应用程序的协议，例如HTTP协议、FTP协议等。

IP地址和端口号

在TCP/IP协议中，通过IP地址来指定接受数据的计算机或者发送数据的计算机，通过端口号来区分不同的应用程序。

接下来通过一个图例来描述IP地址和端口号的作用，如图所示。

网络中一台计算机可以通过IP地址去访问另一台计算机，并通过端口号访问目标计算机中的某个应用程序。

InetAddress

JDK中提供了一个InetAdderss类，该类用于封装一个IP地址，并提供了一系列与IP地址相关的方法，下表列举了InetAddress类的一些常用方法。

方法声明

功能描述

InetAddressgetByName（Stringhost）

参数host表示指定的主机，该方法用于在给定主机名的情况下确定主机的IP地址

InetAddressgetLocalHost（）

创建一个表示本地主机的InetAddress对象

StringgetHostName（）

得到IP地址的主机名，如果是本机则是计算机名，不是本机则是主机名，如果没有域名则是IP地址

booleanisReachable（inttimeout）

判断指定的时间内地址是否可以到达

StringgetHostAddress（）

得到字符串格式的原始IP地址

UDP与TCP协议

在TCP/IP结构图中，提到传输层的两个重要的高级协议，分别是UDP和TCP，其中UDP是UserDatagramProtocol的简称，称为用户数据报协议，TCP是TransmissionControlProtocol的简称，称为传输控制协议。

第二课时

（UDP通信、DatagramPacket、DatagramSocket、UDP网络程序、UDP案例）

UDP通信

UDP是无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。

在使用UDP协议传送数据时，由于UDP的面向无连接性，不能保证数据的完整性，因此在传输重要数据时不建议使用UDP协议。

UDP的交换过程如下图所示：

DatagramPacket

DatagramPacket类是UDP通信中用于封装发送或者接受数据的“集装箱”。

它的构造方法如下所示：

●DatagramPacket（byte[]buf,intlength）;

●DatagramPacket（byte[]buf,intlength,InetAddressaddr,intport）:

●DatagramPacket（byte[]buf,intoffset,intlength）:

●DatagramPacket（byte[]buf,intoffset,intlength,InetAddressaddr,intport）:

DatagramPacket类的常用方法：

方法声明

功能描述

InetAddressgetAddress（）

该方法用于返回发送端或者接收端的IP地址

intgetPort（）

该方法用于返回发送端或者接收端的端口号

byte[]getData（）

该方法用于返回将要接收或者将要发送的数据

intgetLength（）

该方法用于返回接收或者将要发送数据的长度

DatagramSocket

在UDP通信中，DatagramSocket的实例对象可以用来发送和接受DatagramPacket数据包，发送数据的过程如下图所示。

DatagramSocket的构造方法如下所示：

●DatagramSocket（）:

●DatagramSocket（intport）:

●DatagramSocket（intport,InetAddressaddr）:

DatagramSocket的常用方法如下表所示：

方法声明

功能描述

voidreceive（DatagramPacketp）

该方法用于将接收到的数据填充到DatagramPacket数据包中

voidsend（DatagramPacketp）

该方法用于发送DatagramPacket数据包

voidclose（）

关闭当前Socket，通知驱动程序释放资源

UDP网络程序

要实现UDP通信需要创建一个接收端程序和一个发送端程序，因此我们需要编写两个程序。

（1）接收端程序

publicclassExample02{

publicstaticvoidmain（String[]args）throwsException{

//创建一个长度为1024的字节数组，用于接收数据

byte[]buf=newbyte[1024];

//定义一个DatagramSocket对象，监听的端口号为8954

DatagramSocketds=newDatagramSocket（8954）;

//定义一个DatagramPacket对象，用于接收数据

DatagramPacketdp=newDatagramPacket（buf,1024）;

System.out.println（"等待接收数据"）;

//等待接收数据，如果没有数据则会阻塞

ds.receive（dp）;

/*

*调用DatagramPacket的方法获得接收到的信息，

*包括数据的内容、长度、发送的IP地址和端口号

*/

Stringstr=newString（dp.getData（）,0,dp.getLength（））

+"from"+dp.getAddress（）.getHostAddress（）

+":

"+dp.getPort（）;

System.out.println（str）;//打印接收到的信息

ds.close（）;//释放资源

}

}

程序运行结果如图所示。

（2）发送端程序

publicclassExample03{

publicstaticvoidmain（String[]args）throwsException{

//创建一个DatagramSocket对象

DatagramSocketds=newDatagramSocket（3000）;

Stringstr="helloworld";//要发送的数据

/*

*创建一个要发送的数据包，数据包包括发送的数据，数据的长度，

*接收端的IP地址以及端口号

*/

DatagramPacketdp=newDatagramPacket（str.getBytes（）,

str.length（）,InetAddress.getByName（"localhost"）,8954）;

System.out.println（"发送信息"）;

ds.send（dp）;//发送数据

ds.close（）;//释放资源

}

}

运行结果如图所示。

并且接收端程序中的控制台内容发生变化，变化结果如下图所示。

注意：

在创建发送端的DatagramSocket对象时，可以不指定端口号，指定端口号目的是为了每次运行时接收端的getPort（）方法返回值都是一致的，否则发送端的端口号由系统自动分配，接收端的getPort（）方法的返回值每次都不同。

UDP案例——聊天程序

✧功能需求

UDP聊天程序主要是想通过监听指定的端口号，目标IP地址和目标端口号，实现消息的发送和接收功能，并把聊天内容显示出来。

✧所用到的技术

1、UDP通信中的DatagramSocket、DatagramPacket类的相关方法。

2、在服务器监听方法中开启了新线程，把接受消息的实现方法全部放到新线程的run（）方法中。

3、使用Swing技术设计简单的对话框界面。

✧功能模块

1、界面实现

对于界面的实现，需要提供显示聊天记录的区域、聊天输入框等区域。

2、编写事件处理器（发送信息）

界面开发完成后，为界面上的按钮添加监听事件。

●在发送消息前，判断IP地址和端口号是否为空。

●把输入文本内容显示在指定区域的功能。

●添加清空文本显示区域内容的功能

3、DatagramSocket的启动监听（接受消息）

在程序中实现两个功能：

●接受用户填写程序监听的端口号

●使用多线程技术接受消息。

4、功能测试

开启两个聊天程序，分别填写对方的IP地址和监听端口号，测试聊天功能。

第三课时

（TCP通信、ServerSocket、Socket、TCP网络程序、多线程TCP网络程序、TCP案例）

TCP通信

TCP协议是面向连接的通信协议，即在传输数据前先在发送端和接收端建立逻辑连接，然后再传输数据，它提供了两台计算机之间可靠无差错的数据传输。

整个交互过程如图所示。

由于TCP协议的面向连接特性，它可以保证传输数据的安全性，所以是一个被广泛采用的协议。

ServerSocket

在TCP程序中，ServerSocket表示服务器端，该对象相当于开启一个服务，并等待客户端的连接。

ServerSocket的构造方法如下所示：

●ServerSocket（）：

●ServerSocket（intport）：

●ServerSocket（intport,intbacklog）：

●ServerSocket（intport,intbacklog,InetAddressbindAddr）：

ServerSocket的常用方法如下表所示：

方法声明

功能描述

Socketaccept（）

该方法用于等待客户端的连接，在客户端连接之前一直处于阻塞状态，如果有客户端连接就会返回一个与之对应的Socket对象

InetAddressgetInetAddress（）

该方法用于返回一个InetAddress对象，该对象中封装了ServerSocket绑定的IP地址

booleanisClosed（）

该方法用于判断ServerSocket对象是否为关闭状态，如果是关闭状态则返回true，反之则返回false

voidbind（SocketAddress

endpoint）

该方法用于将ServerSocket对象绑定到指定的IP地址和端口号，其中参数endpoint封装了IP地址和端口号

Socket

在TCP程序中，除了服务器端程序运行以外，还需要客户端程序与之交互，为此JDK提供了一个Socket类，用于实现TCP客户端程序。

Socket的构造方法有三种，具体如下：

●Socket（）

●Socket（Stringhost,intport）

●Socket（InetAddressaddress,intport）

Socket的常用方法如下表所示：

方法声明

功能描述

intgetPort（）

该方法返回Socket对象与服务器端连接的端口号

InetAddressgetLocalAddress（）

该方法用于获取Socket对象绑定的本地IP地址，并将IP地址封装成InetAddress类型的对象返回

voidclose（）

该方法用于关闭Socket连接，结束本次通信

InputStreamgetInputStream（）

该方法返回一个InputStream类型的输入流对象

OutputStreamgetOutputStream（）

该方法返回一个OutputStream类型的输出流对象

当客户端和服务端建立连接后，数据是以IO流的形式进行交互的，从而实现通信。

接下来通过一张图来描述服务器端和客户端的数据传输，如下图所示。

TCP网络程序

要实现TCP通信需要创建一个服务器端程序和一个客户端程序，因此我们需要编写两个程序。

（1）服务器端程序

publicclassExample04{

publicstaticvoidmain（String[]args）throwsException{

//创建TCPServer对象，并调用listen（）方法

newTCPServer（）.listen（）;

}

}

//TCP服务端

classTCPServer{

privatestaticfinalintPORT=7788;//定义一个端口号

//定义一个listen（）方法，抛出一个异常

publicvoidlisten（）throwsException{

//创建ServerSocket对象

ServerSocketserverSocket=newServerSocket（PORT）;

//调用ServerSocket的accept（）方法接收数据

Socketclient=serverSocket.accept（）;

//获取客户端的输出流

OutputStreamos=client.getOutputStream（）;

System.out.println（"开始与客户端交互数据"）;

//当客户端连接到服务端时，向客户端输出数据

os.write（（"传智播客欢迎你！

"）.getBytes（））;

//模拟执行其它功能占用的时间

Thread.sleep（5000）;

System.out.println（"结束与客户端交互数据"）;

os.close（）;

client.close（）;

}

}

运行结果如下图所示。

（2）客户端程序

publicclassExample05{

publicstaticvoidmain（String[]args）throwsException{

//创建TCPClient对象，并调用connect（）方法

newTCPClient（）.connect（）;

}

}

//TCP客户端

classTCPClient{

//服务端的端口号

privatestaticfinalintPORT=7788;

publicvoidconnect（）throwsException{

//创建一个Socket并连接到给出地址和端口号的计算机

Socketclient=newSocket（InetAddress.getLocalHost（）,PORT）;

//得到接收数据的流

InputStreamis=client.getInputStream（）;

//定义1024个字节数组的缓冲区

byte[]buf=newbyte[1024];

//将数据读到缓冲区中

intlen=is.read（buf）;

//将缓冲区中的数据输出

System.out.println（newString（buf,0,len））;

//关闭Socket对象,释放资源

client.close（）;

}

}

运行结果如下图所示。

当客户端访问服务端程序时，服务器接收到数据后会解除阻塞状态，把服务器里剩下的功能代码实现，服务器控制台会发生变化，变化结果如下图所示。

多线程的TCP网络程序

在实际开发中，很多服务器端程序都是允许被多个应用程序访问的，例如门户网站可以被多个用户问，因此服务器都是多线程的。

（1）实现多线程功能的服务器端

classTCPServer{

//定义一个静态常量作为端口号

privatestaticfinalintPORT=7788;

publicvoidlisten（）throwsException{

//创建ServerSocket对象，监听指定的端口

ServerSocketserverSocket=newServerSocket（PORT）;

//使用while循环不停的接收客户端发送的请求

while（true）{

//调用ServerSocket的accept（）方法与客户端建立连接

finalSocketclient=serverSocket.accept（）;

//下面的代码用来开启一个新的线程

newThread（）{

publicvoidrun（）{

OutputStreamos;//定义一个输出流对象

try{

//获取客户端的输出流

os=client.getOutputStream（）;System.out.println（"开始与客户端交互数据"）;

os.write（（"传智播客欢迎你！

"）.getBytes（））;

//使线程休眠5000毫秒

Thread.sleep（5000）;

System.out.println（"结束与客户端交互数据"）;

os.close（）;//关闭输出流

client.close（）;//关闭Socket对象

}catch（Exceptione）{

e.printStackTrace（）;

}

};

}.start（）;

}

}

}

此时，再次开启服务端程序，运行三个客户端程序的运行结果如下图所示。

TCP案例——文件上传

目前大多数服务器都会提供文件上传的功能，由于文件上传需要数据的安全性和完整性，所以需要使用TCP协议来实现。

接下来通过一个案例来实现图片上传的功能，首先编写服务器端程序，用来接收图片，如例程所示。

publicclassExample07{

publicstaticvoidmain（String[]args）throwsException{

//创建ServerSocket对象

ServerSocketserverSocket=newServerSocket（10001）;

while（true）{

//调用accept（）方法接收客户端请求，得到Socket对象

Sockets=serverSocket.accept（）;

//每当和客户端建立Socket连接后，单独开启一个线程处理和客户端的交互

newThread（newServerThread（s））.start（）;

}

}

}

classServerThreadimplementsRunnable{

//持有一个Socket类型的属性

privateSocketsocket;

//构造方法中把Socket对象作为实参传入

publicServerThread（Socketsocket）{

this.socket=socket;

}

publicvoidrun（）{

//获取客户端的IP地址

Stringip=socket.getInetAddress（）.getHostAddress（）;

//上传图片个数

intcount=1;

try{

InputStreamin=socket.getInputStream（）;

//创建上传图片目录的File对象

FileparentFile=newFile（"d:

\\upload\\"）;

//如果不存在，就创建这个目录

if（!

parentFile.exists（））{

parentFile.mkdir（）;

}

//把客户端的IP地址作为上传文件的文件名

Filefile=newFile（parentFile,ip+"（"+count+"）.jpg"）;

while（file.exists（））{

//如果文件名存在，则把count++

file=newFile（parentFile,ip+"（"+（count++）+"）.jp