10.5　网络

Java 平台支持大量标准的网络协议，因此编写简单的网络应用非常容易。Java 对网络支持的核心 API 在 java.net 包中，其他扩展 API 则由 javax.net 包（尤其是 javax.net.ssl 包）提供。

开发应用时最易于使用的协议是超文本传输协议（HyperText Transmission Protocol，HTTP），这个协议是 Web 的基础通信协议。

10.5.1　HTTP

HTTP 是 Java 原生支持的最高层网络协议。这个协议非常简单，基于文本，在 TCP/IP 标准协议族的基础上实现。HTTP 可以在任何网络端口中使用，不过通常使用 80 端口。

URL 是关键的类——这个类原生支持 http://、ftp://、file:// 和 https:// 形式的 URL。这个类使用起来非常简单，最简单的示例是下载指定 URL 对应页面的内容。在 Java 8 中，使用下面的代码即可：

  1. URL url = new URL("http://www.jclarity.com/");
  2. try (InputStream in = url.openStream()) {
  3.   Files.copy(in, Paths.get("output.txt"));
  4. } catch(IOException ex) {
  5.   ex.printStackTrace();
  6. }

若想深入低层控制，例如获取请求和响应的元数据，可以使用 URLConnection 类，编写如下代码：

  1. try {
  2.   URLConnection conn = url.openConnection();
  4.   String type = conn.getContentType();
  5.   String encoding = conn.getContentEncoding();
  6.   Date lastModified = new Date(conn.getLastModified());
  7.   int len = conn.getContentLength();
  8.   InputStream in = conn.getInputStream();
  9. } catch (IOException e) {
  10.   // 处理异常
  11. }

HTTP 定义了多个“请求方法”，客户端使用这些方法操作远程资源。这些方法是：

GET、POST、HEAD、PUT、DELETE、OPTIONS、TRACE

各个方法的用法稍微不同，例如：

  • GET 只能用于取回文档，不能执行任何副作用；

  • HEAD 和 GET 作用一样，但是不返回主体——如果程序只想检查 URL 对应的网页是否有变化，可以使用 HEAD；

  • 如果想把数据发送给服务器处理，要使用 POST。

默认情况下，Java 始终使用 GET 方法，不过也提供了使用其他方法的方式，用于开发更复杂的应用。然而，这需要做一些额外工作。在下面这个示例中，我们使用 BBC 网站提供的搜索功能搜索关于 Java 的新闻：

  1. URL url = new URL("http://www.bbc.co.uk/search");
  3. String rawData = "q=java";
  4. String encodedData = URLEncoder.encode(rawData, "ASCII");
  5. String contentType = "application/x-www-form-urlencoded";
  7. HttpURLConnection conn = (HttpURLConnection) url.openConnection();
  8. conn.setInstanceFollowRedirects(false);
  9. conn.setRequestMethod("POST");
  10. conn.setRequestProperty("Content-Type", contentType );
  11. conn.setRequestProperty("Content-Length",
  12.   String.valueOf(encodedData.length()));
  14. conn.setDoOutput(true);
  15. OutputStream os = conn.getOutputStream();
  16. os.write( encodedData.getBytes() );
  18. int response = conn.getResponseCode();
  19. if (response == HttpURLConnection.HTTP_MOVED_PERM
  20.     || response == HttpURLConnection.HTTP_MOVED_TEMP) {
  21.   System.out.println("Moved to: "+ conn.getHeaderField("Location"));
  22. } else {
  23.   try (InputStream in = conn.getInputStream()) {
  24.     Files.copy(in, Paths.get("bbc.txt"),
  25.                 StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
  26.   }
  27. }

注意，请求参数要在请求的主体中发送，而且发送前要编码。我们还要禁止跟踪 HTTP 重定向，手动处理服务器返回的每个重定向响应。这是因为 HttpURLConnection 类有个缺陷，不能正确处理 POST 请求的重定向响应。

开发这种高级 HTTP 应用时，多数情况下开发者一般都会使用专门的 HTTP 客户端库，例如 Apache 提供的那个库，而不会使用 JDK 提供的类从零编写所有代码。

下面介绍网络协议栈的下一层，传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）。

10.5.2　TCP

TCP 是互联网中可靠传输网络数据的基础，确保传输的网页和其他互联网流量完整且易于理解。从网络理论的视角来看，由于 TCP 具有下述特性，才能作为互联网流量的“可靠性层”。

  • 基于连接

数据属于单个逻辑流（连接）。

  • 保证送达

如果未收到数据包，会一直重新发送，直到送达为止。

  • 错误检查

能检测到网络传输导致的损坏，并自动修复。

TCP 是双向通信通道，使用特殊的编号机制（TCP 序号）为数据块指定序号，确保通信流的两端保持同步。为了在同一个网络主机中支持多个不同的服务，TCP 使用端口号识别服务，而且能确保某个端口的流量不会走另一个端口传输。

Java 使用 Socket 和 ServerSocket 类表示 TCP。这两个类分别表示连接中的客户端和服务器端。也就是说，Java 既能连接网络服务，也能用来实现新服务。

举个例子，我们来重新实现 HTTP。这个协议基于文本，相对简单。连接的两端都要实现，下面先基于 TCP 套接字实现 HTTP 客户端。为此，其实我们需要实现 HTTP 协议的细节，不过我们有个优势——完全掌控着 TCP 套接字。

我们既要从客户端套接字中读取数据，也要把数据写入客户端套接字，而且构建请求时要遵守 HTTP 标准（RFC 2616）。最终写出的代码如下所示：

  1. String hostname = "www.example.com";
  2. int port = 80;
  3. String filename = "/index.html";
  5. try (Socket sock = new Socket(hostname, port);
  6.   BufferedReader from = new BufferedReader(
  7.       new InputStreamReader(sock.getInputStream()));
  8.   PrintWriter to = new PrintWriter(
  9.       new OutputStreamWriter(sock.getOutputStream())); ) {
  11.   // HTTP协议
  12.   to.print("GET " + filename +
  13.     " HTTP/1.1\r\nHost: "+ hostname +"\r\n\r\n");
  14.   to.flush();
  16.   for(String l = null; (l = from.readLine()) != null; )
  17.     System.out.println(l);
  19. }

在服务器端，可能需要处理多个连入连接。因此，需要编写一个服务器主循环，然后使用 accept() 方法从操作系统中接收一个新连接。随后，要迅速把这个新连接传给单独的类处理，好让服务器主循环继续监听新连接。服务器端的代码比客户端复杂：

  1. // 处理连接的类
  2. private static class HttpHandler implements Runnable {
  3.   private final Socket sock;
  4.   HttpHandler(Socket client) { this.sock = client; }
  6.   public void run() {
  7.     try (BufferedReader in =
  8.            new BufferedReader(
  9.              new InputStreamReader(sock.getInputStream()));
  10.          PrintWriter out =
  11.            new PrintWriter(
  12.              new OutputStreamWriter(sock.getOutputStream())); ) {
  13.       out.print("HTTP/1.0 200\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\n");
  14.       String line;
  15.       while((line = in.readLine()) != null) {
  16.         if (line.length() == 0) break;
  17.         out.println(line);
  18.       }
  19.     } catch(Exception e) {
  20.       // 处理异常
  21.     }
  22.   }
  23. }
  25. // 服务器主循环
  26. public static void main(String[] args) {
  27.   try {
  28.     int port = Integer.parseInt(args[0]);
  30.     ServerSocket ss = new ServerSocket(port);
  31.     for(;;) {
  32.       Socket client = ss.accept();
  33.       HTTPHandler hndlr = new HTTPHandler(client);
  34.       new Thread(hndlr).start();
  35.     }
  36.   } catch (Exception e) {
  37.     // 处理异常
  38.   }
  39. }

为通过 TCP 通信的应用设计协议时，要谨记一个简单而意义深远的网络架构原则——Postel 法则（以互联网之父之一 Jon Postel 的名字命名）。这个法则有时表述为：“发送时要保守，接收时要开放。”这个简单的原则表明，网络系统中的通信有太多可能性，即便非常不完善的实现也是如此。

如果开发者遵守 Postel 法则，还遵守尽量保持协议简单这个通用原则（有时也叫 KISS 原则 1），那么，基于 TCP 的通信实现起来要比不遵守时更简单。

1KISS 是“Keep it simple, stupid”的简称。——译者注

TCP 下面是互联网通用的运输协议——互联网协议（Internet Protocol，IP）。

10.5.3　IP

IP 是传输数据的最低层标准，抽象了把字节从 A 设备移动到 B 设备的物理网络技术。

和 TCP 不同，IP 数据包不能保证一定送达，在传输的路径中，任何过载的系统都可能会丢掉数据包。IP 数据包有目的地，但一般没有路由数据——真正传送数据的是沿线的物理传输介质（可能有多种不同的介质）。

在 Java 中可以创建基于单个 IP 数据包（首部除了可以指定使用 TCP 协议，还可以指定使用 UDP2 协议）的数据报服务，不过，除了延迟非常低的应用之外很少需要这么做。Java 使用 DatagramSocket 类实现这种功能，不过很少有开发者需要深入到网络协议栈的这一层。

2UDP 是 User Datagram Protocol 的简称。——译者注

最后，值得注意的是，互联网使用的寻址方案目前正在经历一些变化。目前使用的 IP 版本是 IPv4，可用的网络地址有 32 位存储空间。现在，这个空间严重不足，因此已经开始部署多种缓解技术。

IP 的下一版（IPv6）已经出现，但还没广泛使用。不过，在未来十年，IPv6 应该会更为普及。令人欣慰的是，Java 已经对这种新寻址方案提供了良好支持。