JavaEE之网络初识(网络中的一些基本概念)详解

😽博主CSDN主页: 小源_😽

🖋️个人专栏: JavaEE

😀努力追逐大佬们的步伐~

1. 前言

计算机进行网络的操作主要就是通过网卡这样的硬件设备, 在操作系统中被视为文件来进行管理的

网络/互联网是怎么来的呢? 这个东西一诞生, 就拯救了世界! 在美苏争霸一触即发之时, 双方都手握核武器, 这两个国家都希望自己的核弹头打出去之后, 直接把对方打的毫无还手之力

两者之间通过网络连接, 能否摧毁信号到发射井的通信网络就成了焦点问题

互联网就给出了一个答案: 通过足够的冗余, 两点之间有很多路线, 只要有一个没被摧毁, 信号就可以顺利传输

很多影响世界的发明, 都是先应用在军事领域, 后来才民用

本章重点：

本文着重讲解了网络初始知识

2. 网络中的一些基本概念

2.1 IP地址

描述了一个设备在网络上的位置, 是一个 32 位, 4 个字节的整数

为了方便表示, 往往用 "点分十进制" 的方式: 把这 4 个字节分成 4 个部分. 每个部分 1 个字节, 取值范围为 0-255

在 Windows 命令运行框中, 输入 ipconfig 就可以看到自己的主机的 IP 地址

2.2 端口号

描述了一个主机上正在进行网络通信的应用程序, 是一个整数

一个主机上可能有很多程序在使用网络, 主机收到的网络数据得区分出需要交给哪个应用程序使用, 每个程序在进行网络通信的过程中都需要有一个端口号来进行区分 (可能是用户手动指定, 也可能是系统自动分配, 同一个主机上, 程序之间的端口号不能冲突)

我们需要注意: 一次网络通信中, 涉及到的 IP 和 端口 各有两个!

和买东西类似:

收件人地址 对应 目的 IP: 标识目的主机

收件人电话 对应 目的端口: 标识目的主机中该次通信接受数据的进程

发件人地址 对应 源 IP: 标识源主机

发件人电话 对应 源端口: 标识源主机中该次通信发送数据的进程

2.3 网络协议

就是一种通信过程中的约定, 是网络中非常核心的概念

发送方和接收方需要提前商量好数据的格式才能确保两者之间能够进行正确的沟通

因为通信双方的这两个计算机, 可能来自不同的厂商, 为了确保任意两个这样的计算机之间都能够正确的网络通信, 就要求这些计算机需要遵守相同的网络协议

是一种约定, 确保不同厂商生产的设备之间能够相互配合

2.4 协议分层

把一个复杂庞大的协议拆分成多个功能单一的协议并相互配合, 其中功能相似的在同一层, 上层协议会调用下层协议的功能, 下层协议给上层协议提供服务

只有相邻的层次之间可以进行沟通, 不能跨层次调用 (容易混乱)

协议分层还附带了一些好处:

1. 上层协议直接通过下层协议提供的 api 调用下层协议即可, 不需要了解下层协议的细节 (相当于下层协议把细节封装好了)

API（Application Programming Interface,应用程序编程接口）是一些预先定义的函数, 目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件得以访问一组例程的能力, 而又无需访问源码, 或理解内部工作机制的细节. ——百度百科

例如我们只要会说汉语, 男女老少就可以通过电话交流, 不需要了解电话的工作原理

1. 某一层的协议进行替换后, 对其他层没什么影响

如 汉语协议可以替换成英语协议, 无线电协议也可以替换成电话协议

OSI 七层网络协议, 这是大佬们最初设计的时候给出的方案, 但是实施的时候太麻烦了, 所以简化成了五层: TCP/IP 五层网络协议 (也有人叫 TCP/IP 四层模型, 不算物理层(纯硬件))

1. 应用层: 程序拿到数据后, 要用来干什么, 解决什么问题

2. 传输层: 负责关注 网络数据包 的起点和终点

3. 网络层: 负责关注起点和终点之间的路径规划 如: 上海 -> 南京 -> 无锡 -> 西安 (四个设备), 也可以是 两个点 (即两个设备)

4. 数据链路层: 负责两个相邻节点之间的传输方式 如: 上海到南京 用飞机空运, 南京到无锡, 用铁路运输......

5. 物理层: 通信过程中的基础设施 如: 公路, 铁路, 航线

2.5 封装

假想现在有一个场景: A 通过 QQ 给 B 发了一条 hello

以下是传输数据的流程 :

1. 应用层 (应用程序) QQ

QQ 从消息输入框获取用户输入的 hello, 把这个字符串构造成一个应用层数据包

(QQ 这样的程序内部设置了一个应用层协议, 应用层数据包就是按照这个协议来构造的)

约定格式如下(字符串拼接):

应用程序调用操作系统的 api, 把这个数据交给传输层的协议进行处理

1. 传输层: 把上述数据包作为一个整体, 再构造成一个传输层的数据包

传输层涉及的协议, 最主要的就是 TCP 和 UDP

此处假定使用的 UDP 进行通信, 就会构造一个 UDP 数据包

如图, 添加报头的过程就叫"封装", 其实就是字符串拼接

UDP 报头虽然不能保护数据, 但是能承载一些关键的用来转发数据的信息, 最重要的就是 源端口 和目的端口

拼好 UDP 数据包后, 就交给下层, 网络层

(交给下层指的是下层协议提供一组 api (函数), 上层调用这个 api, 把刚才构造好的数据通过参数传进去, 下层协议就可以处理这个数据了)

UDP 协议调用网络层的 api, 把数据交给网络层这里的协议进行处理

1. 网络层 : 把刚才传输层的 UDP 数据包作为一个整体, 拼上 IP 协议的报头, 构造成一个 IP 数据包

IP 报头中最关键的辅助转发的信息就是 源 IP 和 目的 IP

构造完 IP 数据包后, IP 协议调用数据链路层的 api, 把数据交给数据链路层这里的协议进行处理

1. 数据链路层: 在 IP 数据包上添加帧头和帧尾

1. 物理层

把以太网数据帧(二进制结构), 转换成光信号 (通过光的频谱进行编码)/电信号 (高低电平)/电磁波

                                                       光纤                                            网线                      无线 wifi

经过上述一系列的操作, 数据终于从你的电脑上发出来了! (刚出家门)

2.6 分用 (封装的逆向过程)

我们暂时不考虑中间过程, 假定数据包已经到 B 的网卡了. B 的处理过程就叫做分用

1. 物理层: B 的物理层收到 光信号/电信号/电磁波, 把这些物理信号转换成 数字信号 (二进制的 0 1 0 1)

得到一个以太网的数据帧

2.数据链路层: 以太网

按照 以太网数据帧 的格式进行解析, 去除其中的载荷, 再交给上层协议

1. 网络层: IP 协议

按照 IP 协议的格式进行解析, 去除其中的载荷, 再交给上层协议

1. 传输层: UDP 协议

按照 UDP 协议格式进行解析, 去除其中的载荷, 再交给上层协议

1. 应用层: QQ 应用程序

按照 QQ 应用程序内部的应用层协议格式来解析数据

QQ 拿到这些信息之后, 就会在窗口给你弹出提示, 并且把消息/消息的发送者/发送时间 都显示到聊天窗口上

2.7 客户端 vs 服务器

在网络中, 主动发起通信的这一方称为 "客户端", 被动接受的这一方称为 "服务器"

同一个程序在不同的场景中, 可能是客户端, 也可能是服务器

2.8 请求, 响应

客户端给服务器发送的数据, 称为 "请求"(request)

服务器给客户端发送的数据, 称为 " 响应" (response)

客户端和服务器之间的交互, 也有很多种模式

1. "一问一答": 一个请求一个响应 (多用于网站开发)

2. "一问多答": 一个请求多个响应 (下载)

3. "多问一答": 多个请求一个响应 (上传)

4. "多问多答": 一个请求对应多个响应, 一个响应对应多个请求 (远程控制/远程桌面)

2.9 两台主机之间的网络通信流程

进行网络编程, 需要使用 传输层 提供的 API

传输层涉及到的两个协议之间的差异还挺大的, 他们的 api 也差别较大

TCP 的特点:

有连接

可靠传输

面向字节流

全双工

UDP 的特点

无连接

不可靠传输

面向数据报

全双工

有链接: 指的是抽象, 虚拟的连接, 本质上是通信双方各自保存对方的相关信息

可靠传输/不可靠传输: 发的数据到没到, 发送方可以清楚的感知到. 网络上的"异常情况"很多, 无论用什么样的软硬件技术手段, 无法保证 100% 把网络数据从 A 传输到 B, 此处是尽可能的完成数据传输, 虽然无法确保数据到达对方, 至少知道, 当时这个数据对方是不是收到了

面向字节流: 网络中传输数据的基本单位就是字节

面向数据报: 每次传输的基本单位是一个数据报 (由一系列的字节构成), 是一个特定的结构

全双工: 一个信道, 可以双向通信 (如日常见到的马路)

半双工: 一个通道, 只能单向通信