javaEE -7（网络原理初识 --- 7000字）

一：网络初识

计算机的独立模式是指多台计算机在网络中相互独立运行，彼此之间不共享资源或信息。在早期，计算机主要采用独立模式，每台计算机都拥有自己的操作系统、应用程序和数据，它们之间没有直接的连接或通信。

在独立模式下，用户需要手动将数据从一个计算机传输到另一个计算机。这可以通过使用可移动介质，如软盘或磁带，将数据从一台计算机复制到另一台计算机来实现。这种方式非常耗时且容易出错。

此外，计算机之间也无法共享硬件资源，例如打印机或存储设备。每台计算机需要具有自己的独立设备，这导致了资源浪费和设备利用率低的问题。

由于独立模式的局限性，随着计算机网络的发展，人们开始寻求一种更有效的方式来连接和共享计算机资源。这就引出了联机模式的概念，即计算机之间通过网络连接在一起，并能够共享资源和信息。联机模式的发展给计算机的应用和发展带来了巨大的推动，如互联网和云计算的发展。

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。

1.1 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；

局域网是指在一个相对较小范围内（例如办公室、学校、家庭等）建立起来的网络。它的主要作用是提供内部计算机之间的通信和资源共享。

在局域网中，计算机可以共享文件、打印机、数据库和其他资源，这样可以提高工作效率和便利性。此外，局域网还可以支持内部通信和协作，例如通过电子邮件、即时消息等方式进行沟通。

局域网通常由网络交换机或路由器进行管理和控制，这些设备负责数据包的转发和路由，以确保信息能够正确地传递到目标设备

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：

1. 基于网线直连

2. 基于集线器组建

3. 基于交换机组建

4. 基于交换机和路由器组建
   

1.2 广域网WAN

广域广域网，即 Wide Area Network，简称WAN。

广域网是指连接多个局域网（LAN）的网络，在物理上组成很大范围的网络。它利用各种通信线路、设备和协议将地理位置相对较远的分散局域网连接在一起，形成一个覆盖范围更广的网络。

广域网的主要特点是它可以连接不同地点的局域网，并且能够提供高速、长距离的数据传输。广域网通常使用广域网路由器（WAN Router）来实现不同局域网之间的连接。这些路由器能够将各种数据通过不同的通信线路（如电缆、光纤和卫星链路等）传输，并根据目标地址将数据包正确地转发到目标局域网。

广域网的连接可以通过公共的互联网进行，也可以通过专用的通信线路进行，如专线、电路交换网络等。广域网的连接速度和带宽通常较高，能够支持大量的数据传输和远程访问。

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。

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：网络主机中的不同进程间数据的传输，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，将数据传输到那台主机呢？这就需要使用IP地址来标识。

2.1 IP地址

IP地址是互联网协议（IP）中用于标识和定位网络设备的一串数字，用于标识网络主机、其他网络设备（如路由器）的网络地址，它可以帮助数据包在网络中正确地寻址和传递，简单说，IP地址用于定位主机的网络地址。（就像我们发送快递一样，需要知道对方的收货地址，快递员才能将包裹送到目的地。）

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。

我们通常用"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。

• 特殊IP： 127.*

这个IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1，本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

IP地址解决了网络通信时，定位网络主机的问题，但是还存在一个问题，传输到目的主机后，由哪个进程来接收这个数据呢？这就需要端口号来标识。

2.2 端口号

在网络通信中，IP地址用于标识主机网络地址，而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。（类似发送快递时，不光需要指定收货地址（IP地址），还需要指定收货人（端口号））

端口号是0~65535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。

系统端口号范围为 0 ~ 65535，其中：0 ~ 1023 为知名端口号，这些端口预留给服务端程序绑定广泛使用的应用层协议，如：

• 22端口：预留给SSH服务器绑定SSH协议
• 21端口：预留给FTP服务器绑定FTP协议
• 23端口：预留给Telnet服务器绑定Telnet协议
• 80端口：预留给HTTP服务器绑定HTTP协议
• 443端口：预留给HTTPS服务器绑定HTTPS协议

注意：以上只是说明 0 ~ 1023 范围的知名端口号用于绑定知名协议，但某个服务器也可以使用其他 1024 ~65535 范围内的端口来绑定知名协议。

餐厅的VIP包房是给会员使用，但会员也可以不坐包房，坐其他普通座位。

注意：

• 两个不同的进程，不能绑定同一个端口号，但一个进程可以绑定多个端口号。
• 协议是为服务指定的标准，具体由协议支撑的服务才是进程

2.3 协议

有了IP地址和端口号，可以定位到网络中唯一的一个进程，但还存在一个问题，网络通信是基于二进制0/1数据来传输，如何告诉对方发送的数据是什么样的呢？

网络通信传输的数据类型可能有多种：图片，视频，文本等。同一个类型的数据，格式可能也不同，如发送一个文本字符串"你好！"：如何标识发送的数据是文本类型，及文本的编码格式呢？

答案是使用协议来规定双方的数据格式。

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）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。通常由三要素组成：

1. 语法：协议的语法定义了通信过程中消息的结构和格式。它规定了消息的各个部分应该如何组织、表示和传输（类似打电话时，双方要使用同样的语言：普通话）

2. 语义：协议的语义定义了消息的含义和处理规则。它规定了消息的解释方式，确定了消息中各个字段的含义和作用。语义描述了消息被接收后应该如何解释并采取哪些行动。（ 类似打电话时，一方道：你瞅啥？另一方就得有对应的响应：瞅你咋的！）

3. 时序：协议的时序定义了消息的传输顺序和时序要求。时序定义了何时进行通信，先讲什么，后讲什么，讲话的速度等，它确保消息按照预期的顺序和时间进行传输和处理。同步策略在协议中起着关键的作用，以确保通信的准确性和可靠性。

协议（protocol）最终体现为在网络上传输的数据包的格式，协议是一种规定数据在网络中传输的方式和格式的约定。在网络通信中，数据通常被划分为一小段一小段的数据包进行传输。这些数据包包含了发送方和接收方之间传输的信息。协议定义了这些数据包的结构、编码方式、传输顺序等规则，以确保发送方和接收方能够正确地交互和解释数据。

2.3.1 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。为什么呢？

• 计算机生产厂商有很多；
• 计算机操作系统，也有很多；
• 计算机网络硬件设备，还是有很多；

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? 如果这个厂商按照a的方式去定义和解析协议，那个厂商按照b的方式定义和解析协议，那么这就不难够保证通信的畅通了，所以这时就需要有人站出来，约定一个共同的标准，大家都来遵守，这就是网络协议。

2.4 五元组

在TCP/IP协议中，用五元组来标识一个网络通信：

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

五元组在网络通信中的作用，类似于发送快递：

2.5 协议分层

协议分层是一种将网络通信过程划分为不同层级的方法。每个层级都有自己的功能和责任，并且它们相互协作来实现可靠的数据传输。

常见的协议分层模型是 OSI（开放系统互联模型）和 TCP/IP。在这两种模型中，网络通信被划分为多个层级，每个层级都负责特定的任务。

协议分层类似于打电话时，定义不同层次的协议

那么为什么需要网络协议的分层呢？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：

协议分层的主要优势包括：

1. 模块化和可维护性：每个层级都独立于其他层级，可以独立设计、实现和维护。这意味着如果需要修改或升级某个层级的功能，可以单独对其进行操作，而不会对其他层级产生影响。
2. 可扩展性：通过在模型中添加新的协议层级，可以适应不断增长和变化的网络需求，而不需要对整个网络进行重大更改。
3. 互操作性：通过明确定义每个层级的功能和接口，不同的厂商和开发人员可以相互协作，实现互操作性和标准化的通信。
4. 故障隔离和安全性：由于每个层级都有明确定义的功能和范围，一旦发生故障或安全问题，可以更容易地定位和解决问题，而不会影响整个通信系统。

总之，协议分层提供了一种有效的方式，将网络通信过程划分为多个层级，每个层级都有独立的功能和责任，它们相互协作来实现可靠的数据传输，并提供了可扩展性、模块化和互操作性等优势。

2.6 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，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输；

它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整。通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯。

OSI 七层模型划分为以下七层：

在 OSI 模型中，共有七个层级，分别是：

1. 物理层：负责传输原始比特流，处理物理连接和电子信号传输。
2. 数据链路层：负责将原始比特流转换为数据帧，并提供物理层的可靠传输。
3. 网络层：负责设定数据包的路径，实现不同网络间的通信和路由控制。
4. 传输层：负责提供端到端的可靠或不可靠的数据传输，包括流量控制和拥塞控制。
5. 会话层：负责建立、管理和终止会话（多个应用程序之间的通信）。
6. 表示层：负责数据格式的转换、数据加密和压缩。
7. 应用层：为用户提供与网络通信的接口，包括各种应用程序服务（例如电子邮件、网页浏览等）。

OSI 七层模型既复杂又不实用：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，实际是以下 TCP/IP 五层（或四层）模型来实现。

2.7 TCP/IP五层（或四层）模型

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。

• 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）工作在网路层。

• 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。

物理层我们考虑的比较少。因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型。

常见网络设备所在分层：

• 对于一台主机，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；
• 对于一台路由器，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；
• 对于一台交换机，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；
• 对于集线器，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。

网络分层对应：

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：

以下为跨网段的主机的文件传输：数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器：

2.8 协议的封装和分用

• 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)。
• 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。

下图为数据封装的过程：

下图为数据分用的过程：