【JavaEE精炼宝库】初识网络原理——网络通信基础

文章目录

一、网络发展史
- 1.1 独立模式：
- 1.2 网络互连：
- 1.3 局域网（LAN）：
- 1.4 广域网（WAN）：
二、网络通信基础
- 2.1 IP地址：
- 2.2 端口号：
三、协议
- 3.1 协议的概念：
- 3.2 协议的作用：
- 3.3 五元组：
- 3.4 协议分层：
- - 3.4.1 协议分层的概念：
  - 3.4.2 协议分层的作用：
- 3.5 OSI 七层模型：
- 3.6 TCP/IP五层（或四层）模型（要背）：
- 3.7 网络设备所在分层：
- 3.8 封装和分用：

一、网络发展史

1.1 独立模式：

独立模式：计算机之间相互独立。

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1.2 网络互连：

随着时代的发展，越来越需要计算机之间互相通信，共享软件和数据，即以多个计算机协同工作来完成业务，就有了网络互连。

网络互连：将多台计算机连接在⼀起，完成数据共享。

数据共享本质是网络数据传输，即计算机之间通过网络来传输数据，也称为网络通信。

根据网络互连的规模不同，可以划分为局域网和广域网。

1.3 局域网（LAN）：

局域网，即 Local Area Network，简称 LAN。

Local 即标识了局域网是本地、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。局域网和局域网之间在没有连接的情况下，是无法通信的。

局域网组建网络的方式有很多种：

基于网络直连：
基于集线器组建：
基于交换机组建：
基于交换机和路由器组建：

1.4 广域网（WAN）：

广域网，即 Wide Area Network，简称 WAN。

通过路由器，将多个局域网连接起来，在物理上组成很大范围的网络，就形成了广域网。广域网内部的局域网都属于其子网。

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二、网络通信基础

网络互连的目的是进行网络通信，也即是网络数据传输，更具体一点，是网络主机中的不同进程间，基于网络传输数据。

那么，在组建的网络中，如何判断到底是从哪台主机，将数据传输到哪台主机呢？这就需要使用 IP 地址来标识。

2.1 IP地址：

概念：IP 地址主要用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址。简单说，IP 地址用于定位主机的网络地址。
格式：IP 地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个8位二进制数（也就是 4 个字节），如：01100100.00000100.00000101.00000110
通常用点分十进制的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是 0~255 之间的十进制整数）。如：100.4.5.6。

2.2 端口号：

概念：在网络通信中，IP 地址用于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。简单说：端口号用于定位主机中的进程。
格式：端口号是0~65535（两个字节）范围的数字，在网络通信中，进程可以通过绑定一个端口号，来发送及接收网络数据。

三、协议

3.1 协议的概念：

协议，网络协议的简称，网络协议是网络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的一组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。 协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

3.2 协议的作用：

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号。通过 “频率” 和 “强弱”
来表示0和1这样的信息。要想传递各种不同的信息，就需要约定好双方的数据格式。

计算机生产厂商、操作系统、网络硬件设备都有很多，如何让这些不同厂商之间生产的计算机能够相互顺畅的通信？就需要有人站出来，约定一个共同的标准，大家都来遵守，这就是网络协议。

3.3 五元组：

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：

源IP：标识源主机。
源端口号：标识源主机中该次通信发送数据的进程。
目的IP：标识目的主机。
目的端口号：标识目的主机中该次通信接收数据的进程。
协议号：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式。

可以在cmd中，输入netstat -ano查看网络数据传输中的五元组信息：

3.4 协议分层：

网络通信是一个非常复杂的事情，这个过程中涉及到很多的细节问题，如果使用一个协议来约定所有细节，这个协议就会非常大，非常复杂，所以我们需要进行拆分（分层）。

3.4.1 协议分层的概念：

协议分层的定义：对于网络协议来说，往往分成几个层次进行定义。协议分层类似于打电话时，定义不同的层次的协议：

在这个栗子中，我们的协议只有两层。但是实际的网络通信会更加复杂，需要分更多的层次。

3.4.2 协议分层的作用：

分层最大的好处，类似于面向接口编程：定义好两层间的接口规范，让双方遵循这个规范来对接。在代码中，类似于定义好一个接口，一方为接口的实现类（提供方，提供服务），一方为接口的使用类（使用方，使用服务）：

对于使用方来说，并不关心提供方是如何实现的，只需要使用接口即可。
对于提供方来说，利用封装的特性，隐藏了实现的细节，只需要开放接口即可。

这样能更好的扩展和维护，如下图：

3.5 OSI 七层模型：

OSI：即 Open System Interconnection，开放系统互连。

OSI 七层网络模型是一个逻辑上的定义和规范：把网络从逻辑上分为了7层。
OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输。

OSI 七层模型划分为以下七层：
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OSI 七层模型既复杂又不使用，所以 OSI 七层模型没有落地、实现。

实际组建网络时，只是以 OSI 七层模型设计中的部分分层，也即是以下TCP/IP五层（或四层）模型来实现。

3.6 TCP/IP五层（或四层）模型（要背）：

TCP/IP 是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了 TCP/IP 协议簇。

TCP/IP 通讯协议采用了 5 层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

下面给出的TCP/IP五层，都是哪五层，每层的作用是什么，一定要记下来。

应用层：负责应用程序间沟通。 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（Telnet）等。我们的网络编程主要就是针对应用层。
传输层：负责两台主机之间的数据传输。 如传输控制协议（TCP），能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
网络层：负责地址管理和路由选择。 例如在 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的数据传输的线路（路由）。路由器（Router）工作在网络层。
数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别。 例如网卡设备的驱动、帧同步（就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始）、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、令牌环网，无线 LAN 等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层。
物理层：负责光/电信号的传递方式。 比如现在以太网通用的网线（双绞线）、早期以太网采用的的同轴电缆（现在主要用于有线电视）、光纤，现在的 wifi 无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）工作在物理层。

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3.7 网络设备所在分层：

主机：它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容，也即是TCP/IP五层模型的下四层。
路由器：它实现了从网络层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下三层。
交换机：它实现了从数据链路层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下两层。
集线器：它只实现了物理层。

注意：我们这里说的是传统意义上的交换机和路由器，也称为二层交换机（工作在TCP/IP五层模型的下两层）、三层路由器（工作在TCP/IP五层模型的下三层）。随着现在网络设备技术的不断发展，也出现了很多3层或4层交换机，4层路由器。我们以下说的网络设备都是传统意义上的交换机和路由器。

网络数据传输时，经过不同的网络节点（主机、路由器）时，网络分层需要对应。

以下为同一个网段内的两台主机进行文件传输（两台主机之间的网络通信流程）：

3.8 封装和分用：

不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段(segment)，在网络层叫做数据报(datagram)，在链路层叫做帧(frame)。
应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部(header)，称为封装 (Encapsulation)。注意：这里的封装和 Java 中的封装含义不一样。
首部信息中包含了一些类似于首部有多长，载荷(payload)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，每层协议再剥掉相应的首部，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。

如果说封装是包快递，那么分用就是拆快递。

下图为数据封装的过程：

下图为数据分用的过程：

发送方： 按照 TCP/IP 五层模型，按照从上到下，进行封装，随着数据每次到达下一层，都会添加上对应的报头结构。
接收方： 按照 TCP/IP 五层模型，按照从下到上，进行分用，随着数据每次到达上一层，都会删去对应的报头结构。