【JavaEE】认识网络的工作原理

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本文于《JavaEE》专栏，本专栏是针对于大学生，编程小白精心打造的。笔者用重金(时间和精力)打造，将基础知识一网打尽，希望可以帮到读者们哦。

其他专栏：《MySQL》《C语言》《javaSE》《数据结构》等

内容分享：本期将会分享网络相关的知识

引入

在一开始,我们的计算机之间都是相互独立的,如果需要完成一个业务,但是业务的数据分别在三个电脑上,则需要等待一个处理完它上面的业务数据再移动到另一个电脑上,极其不方便.后面随着时代的发展,计算机之间相互通信的需求越来越多,这就出现了网络互连.在这种情况下,计算机之间就可以进行共享软件和数据,可以多个计算机协同一起来完成工作. 这里数据共享就是网络数据传输,也可以称为网络通信.而根据网络的规模不同,可以分为局域网和广域网.

局域网LAN

局域网,顾名思义,就是局部组建的一种私有网络.局域网内的主机之间能方便的进行网络通信,又称为内网.且局域网和局域网之间没有连接的情况下是无法通信的.而局域网之间组建网络有好几种方式:

1. 基于网线直连

1. 基于交换机组建

1. 基于交换机和路由器组建

广域网WAN

广域网就是通过路由器,将多个局域网连接起来,在物理上组成了很大范围的网络.广域网内部的局域网都属于它的子网.

这里我们互联网就是属于全球化的公共型广域网,又可以称为外网,公网.它也属于广域网的一个子集.

网络通信基础

IP地址

IP地址它最主要的作用就是用来标识网络主机,网络设备的网络地址. 可以说,I**P地址就是用来定位主机的网络地址的. **这就像我们买快递需要填的发货地址一样,快递员知道你的地址才能将快递给你送过来.

IP地址它是一个32位的二进制数字,一般来说它都是被分割为4部分,且通常都用电分十进制来表示,也就是以逗号分割,十进制来表示.比如我电脑上的IP地址:

端口号

在通信网络中,IP地址用于表示主机网络地址,但是一个主机有很多应用程序,主机接受到网络数据要区分出这个数据要交给哪个程序.而端口号就是主机上程序的标识.**简单来说,端口号就是用来定位主机上的程序(进程)的.**它就类似于买快递的时候,不仅需要填地址,还需要填电话号码,这样快递员到了你的地址后,还需要用电话号码来找到你的人一样.

端口号是一个0 ~ 65535范围的数字,在网络通信中,进程就可以通过自己的端口号,来发送和接受网络数据.

在进行一次网络通信的过程中,我们要注意,其实IP地址和端口,各有两个. 发送数据一方有一个IP地址和端口,而接受数据的一方也有一个IP地址和端口.

协议

协议就是网络协议的简称.它的诞生是因为有各个不同的厂家生产主机,,计算机操作系统也有很多,就连计算机网络硬件设备也特别多, 为了让任何厂家生产的主机都可以进行网络通信,就约定了一个网络协议.而网络协议就是需要进行网络通信的所有网络设备都必须遵守的一组规定,规则. 只有遵守这个约定,任意一个计算机之间才能相互通信交流. 这个网络协议,最终就体现在网络上传输的数据包的格式.

五元组

在TCP/IP协议中,用五元组来标识网络通信:

1. 源IP: 标识源主机

2. 源端口号: 标识源主机中该次发送数据的进程

3. 目的IP: 标识目的主机

4. 目的端口号: 标识目的主机该次接受数据的进程

5. 协议号: 标识发送进程和接受进程双方约定的数据格式

这可以类比与发送快递:

我们也可以才cmd中输入netstat -ano查看五元组:

协议分层

对于网络协议来说,它会分成几个层次来定义. 功能相同的协议就会放在同一层.上层协议调用下层协议,下层协议为上层协议提供服务.且只有相邻协议之间才能够沟通调用,不能跨层次调用.

原因:

指定协议分层的原因就是一个完整协议需要实现的细节太多,导致它过于复杂,为了减少学习成本和易于维护.就将它拆分为多个功能单一的协议.但拆分后又发现有太多个协议了,为了他们之间可以有较好的配合,就进行了协议分层.

作用:

分层协议的最大好处就类似于面向对象接口编程一样. 定义好两层之间的接口规范,放双方遵循这个规范来对接. 对于使用方来说,只需要使用接口就可以,不用关心提供方是怎样实现的.而对于提供方来说,利用封装的特性,隐藏了实现的细节,只需要对接口开放即可.这样就可以更好的使用和维护了.

TCP/IP五层协议

TCP/IP是一组协议的名称,它里面包括许多协议,加起来组成了TCP/IP协议族.TCP/IP协议采用了5层的结构.每一层都调用它的下一层所提供的网络来完成自己的需求.

应用层: 负责应用程序间的交流,如简单电子邮件传输(SMTP),文件传输协议(FTP),网络远程访问协议等(Telnet). 简单来说它这里就是告诉数据在程序中如何使用.

传输层: 负责两台主机之间的数据传输.能够保证数据可靠的从源主机发送到目标主机中,我们的源端口和目标端口信息都在里面. 简单来说它关注的就是通信的起点和终点.

网络层: 负责地址管理和路由选择. 比如在IP协议中,通过IP地址来标识一台主机,并通过路由表的方式规划出两台主机之间数据传输的线路(路由).我们的路由器就在网络层. 简单来说它就是负责通信中的路线规划.

数据链接层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别.比如网卡设备的驱动,帧同步(网线上检测到什么信号算新帧的开始),冲突检测(如果检测到冲突就自动重发),数据差错校验等工作.有以太网,无线LAN等标准. 简单来说它关注的就是相邻节点之间的通讯细节.

物理层: 负责光/电信号的传递方式.比如现在以太网通过的网线,光纤,WiFi使用的电磁波都属于物理层的概念. 物理层的能力决定了最大传输速率,距离,抗干扰性等. 简单来说这里就是网络通信的基础设施.

网络设备所在分层

对于主机来说,它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容.也就是TCP/IP五层模型的下四层

对于路由器来说,它实现了从网络层到物理层,也就是TCP/IP五层模型的下三层

对于交换机来说,它实现了从数据链路层到物理层,也就是TCP/IP五层模型的下二层

对于集线器,只实现了物理层.

这里,我们要注意这里的说法只是对传统意义上的交换机和路由器来说. 但因为时代的发展和技术的更新,也出现了很多3层交换机和4层交换机和4层路由器.

封装与分用

不同的协议层对数据包有不同的称呼.在传输层叫做段.在网络层叫做数据报,在链路层叫做帧.

应用层数据通过协议栈发到网络上时,每一层协议都会加上一个数据首部(header),称为封装.

首部信息就会包含一些类似于首部有多长,载荷有多长,上层协议是什么等信息.

数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥夺调相应的首部,根据首部中的上层协议字段将数据交给对应的上层协议处理,这就是分用.

封装过程

这里假设小帅给小美通过QQ发送一个"妹子,做我女票吧"/

1.应用层(QQ)

QQ会从消息输入框里获取到用户输入的消息,将这个字符串构成一个应用层的数据包.QQ就会按照应用层协议里约束的格式来构造这个应用层数据包.

然后应用程序就会调用操作系统提供的API将这个数据包交给传输层.

2.传输层

传输层就会将接收到的数据包看成一个整体,再构造一个传输层的数据包.这里我们假定使用UDP协议来进行通信,这里就会构成一个UDP数据包.

拼好传输层数据包后,就将这个数据包交给下一层,网络层就要进行封装了.

3.网络层

这里涉及到最核心的协议 - IP协议. 网络IP协议会将传入的数据包作为一个整体,再拼上IP协议的报头,构成一个IP数据包.

构造完IP数据包后,IP协议就会继续调用数据链路层的API,将数据交给数据链接层.

4.数据链接层

数据链接层涉及的核心协议 - 以太网协议.以太网就是我们日常的有线网络.网线也叫以太网线.这里协议会以IP数据包为整体,在这里基础上加上帧头和帧尾来组成一个以太网数据帧.

5.物理层

这里就是将以太网数据帧(它是一个二进制结构数据)转换成光信号/电信号/电磁波然后进行发送.

最终,经过以上这些过程数据终于从小帅的电脑上发送出去了.

分用过程

这里不考虑中间过程,假设数据包已经到达小美的网卡了.

1.物理层

小美的物理层收到了信号,就会将这些物理信号转换成数字信号,得到一个以太网数据帧.再交给数据链路层来处理.

2.数据链路层

接受到数据后再按照以太网数据帧的格式来解析,找到其中的载荷,再将载荷交给上层协议.

3.网络层

拿到数据后再按照IP协议的格式进行解析,取出其中的载荷,再交给上层协议.

1. 传输层

按照UPD协议格式来解析,取出其中的载荷,再交给上层协议.

5.应用层

按照应用层协议解析这些数据.

最终就小美就会害羞的看到"妹子,做我女票吧".