【javaEE】网络原理初识

前言：本篇将简单介绍一下网络通信相关的概念

一，网络通信的本质

网络通信的本质是通过网络传输数据

如果拿生活中的寄快递的例子来类比，发送数据好似寄快递，接受数据就好似收快递。网络通信描述了数据如何在网络上传输。

数据发送的主动和被动，决定的谁是客户端，谁是服务端

主动发送请求的是客户端，接收处理请求的是服务端

二，通信的三要素

正如生活中寄快递需要遵循一定的规则，填写寄件地址，电话号码等等，通信也是如此。网络通信需要遵循三要素，分别是IP地址，端口号以及协议。

（一）IP地址

IP地址标识着一台主机在互联网中所处的位置

IP又可以分为两大类

1.IPv4

IPv4 (Internet Protocol version 4) 是互联网协议的第四个版本，也是目前全球使用最广泛的协议。

• 地址格式： 采用 32 位（bit）二进制地址，通常用"点分十进制"表示（例如：192.168.1.1）。

• 地址空间： 理论上拥有 2^32 个地址，约 43 亿个。

• 局限性： 随着智能手机、物联网设备的普及，43 亿个地址早已分配殆尽。目前主要通过 NAT (网络地址转换) 技术，让多个设备共用一个公网 IP 来缓解枯竭问题。

2.IPv6

IPv6 (Internet Protocol version 6) 被设计用来彻底解决 IPv4 地址枯竭的问题，被称为"下一代互联网协议"。

• 地址格式： 采用 128 位二进制地址，通常用"冒号十六进制"表示（例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。

• 地址空间： 拥有 2^128 个地址。这个数字大到可以为地球上的每一粒沙子分配一个独立的 IP 地址。

• 优势：

  • 无需 NAT： 每个设备都可以拥有唯一的全球公网 IP。

  • 更安全： 在设计之初就原生支持 IPsec 加密。

  • 更高效： 简化了数据包首部结构，提高了路由转发效率

（二）端口号

如果把IP地址类比于生活中的地址，那么端口号就好比门牌号。有了它数据才能知道要运输到哪一个应用程序。常见的端口号有mysql的3306（默认端口号，可以修改）以及web的80端口

可能有人对端口和IP的功能无法区分，以下为简单介绍。

IP地址描述的是一台主机在互联网中所处的位置，但是端口号决定了数据要发送给电脑上的哪一个应用程序。假如你通过QQ给朋友发送信息，由于端口号存在，你不可能把信息发送到对方的微信程序，音乐程序上。

可以说IP地址和端口号共同作用，好似寄快递时的寄件，收件地址，寄件人和收件人。确保了数据在网络上的正确传输

（三）协议

1.什么是协议

通俗来讲，协议可以视为一种约定。一套双方都需要遵守的规则。

2.协议的作用

数据在网络是二进制bit流的形式传输，本质不变，但是解析方式却由协议来决定。

协议就是一套约定bit流代表什么含义的规则

为什么还要有这规则？直接读取bit流不可以吗？

设想一种情况，我写了一个java程序，发送给对方，但是另一个人确尝试来使用C来解析，那自然会读取失败，（即使两者的代码都是由英文字母编写）在打电话的时候，我讲中文，你说日语，这样也无法做到顺利沟通。

在数据的传输中，需要经过多层协议，应用层->网络层->传输层->数据链路层->物理层，每一层都对应的一套协议。只有遵循协议，数据才能被识别，顺利传输

三，协议分层

（一）为什么要协议分层？

协议分层的目的是为了解耦合

协议分层，使得数据传输的流程之间互不干扰。使用一个整体的协议来约定整个传输流程过于复杂且难以维护。假如出了一点bug你不能知道是（物理层）网线断了还是（应用层）代码逻辑写错了。

（二）OSI七层模型

协议的种类很多，按照协议的功能可以划分为（开放系统互联）OSI七层模型

1. 物理层 (Physical Layer)

这是模型的最底层，处理物理介质上的比特流（0和1）。电信号的电压数值，依据波的频率对其做一个区域划分，不同的区域分别代表着0和1，这样就可以通过有线/无线设备来传输二进制bit流。

• 功能：透明地传送比特流。

• 物理设备：网线、中继器、集线器、光纤。

2. 数据链路层 (Data Link Layer)

这一层负责在相邻节点 之间建立物理连接。它将比特组合成"帧"（Frame），并通过 MAC 地址来寻址。

• 功能：差错控制、流量控制、成帧。

• 代表协议：以太网（Ethernet）、Wi-Fi (802.11)、PPP。

• 物理设备：网桥、二层交换机。

3. 网络层 (Network Layer)

网络层决定了数据从发送端到接收端的路径选择 （路由）。它处理的是"数据包"（Packet），使用 IP 地址进行逻辑寻址。

• 功能：路由选择、拥塞控制、网际互连。

• 代表协议：IP、ICMP、ARP、IGMP。

• 物理设备：路由器、三层交换机。

4. 传输层 (Transport Layer)

传输层是第一个端到端（主机到主机）的层次，负责确保数据完整、准确地到达目标。它处理的是"段"（Segment）。

• 功能：提供可靠或不可靠的传输、端到端的错误恢复和流量控制。

• 代表协议 ：TCP （可靠、面向连接）、UDP（不可靠、无连接）。

5. 会话层 (Session Layer)

这一层负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。它就像是通话中的"挂断"和"重拨"机制。

• 功能：建立同步点，确保通信中断后可以从断点继续。

• 代表协议：RPC、SQL、NFS。

6. 表示层 (Presentation Layer)

表示层处理数据的格式化、加密和压缩。它确保一个系统的应用层发出的信息能被另一个系统的应用层识别。

• 功能：数据转换（如 EBCDIC 转 ASCII）、数据加密和解密、压缩和解压。

• 代表格式：JPEG、ASCII、GIF、DES。

7. 应用层 (Application Layer)

这是直接面向用户的最高层，为应用程序提供网络服务接口。

• 功能：直接为用户的应用进程提供服务。

• 代表协议：HTTP、FTP、SMTP、DNS、Telnet。

（三）TCP/IP 五层模型

五层模型相对于OSI七层模型的最大特点是把上三层(会话层，表示层，应用层)合并为一个应用层。五层模型也是被广泛应用的模型

四，封装与分用

（一）封装

是指数据从应用层向下逐渐添加报头的过程。好比给快递包装的过程，也可以认为是一个在数据传递的过程中，数据不断变大的过程

要注意封装的过程中，不能跨层调用，比如应用层不能去调用网络层，需要先经过运输层这个中介来对数据封装处理。封装的过程是下层为上层提供服务，上层调用下层提供的服务。网络层到一下协议层未提供服务给应用层，所以不能直接调用，这一点有点类似于操作系统对API的封装

当数据从应用层发出，每一层都会给它加上一个"信封"（首部/Header），让数据承载更多的控制信息。这个过程就像俄罗斯套娃，一层套一层。

第一步：应用层（Application Layer）

• 动作： 浏览器生成 HTTP 请求报文。

• 数据状态： 原始数据（Payload）。

• 关键信息： GET / HTTP/1.1 等内容。

第二步：传输层（Transport Layer）

• 动作： 操作系统收到数据，根据应用层指定的协议（TCP），在数据前面加上 TCP 首部。

• 数据变身： 此时数据被称为 "段" (Segment)。

• 关键信息：

  • 源端口（比如 54321）：标识发送数据的浏览器进程。

  • 目的端口（通常 80）：标识服务器上的 Web 服务进程。

第三步：网络层（Network Layer）

• 动作： IP 协议接手 TCP 段，在前面加上 IP 首部。

• 数据变身： 此时数据被称为 "数据报" (Datagram/Packet)。

• 关键信息：

  • 源 IP 地址： 用户 A 的地址。

  • 目的 IP 地址： 服务器 B 的地址。

  • 协议号： 标记里面包的是 TCP 数据（告诉接收方一会怎么拆）。

第四步：数据链路层（Data Link Layer）

• 动作： 网卡驱动程序在 IP 数据报的前面加上 以太网帧头 ，在后面加上 帧尾（FCS，用于校验数据是否损坏）。

• 数据变身： 此时数据被称为 "帧" (Frame)。

• 关键信息：

  • 源 MAC 地址： 自己网卡的物理地址。

  • 目的 MAC 地址： 下一跳设备（通常是路由器或网关）的 MAC 地址。

第五步：物理层（Physical Layer）

• 动作： 将"帧"转换成光电信号（010101...），通过网线或无线电波发送出去。

以下是一个简化的不同协议层对传输数据的封装过程：

（二）分用

数据分用是对上述封装过程的逆向，当数据传输到服务器时，服务器需要对层层包装的数据来拆除报头，解析数据等操作，这一些列过程也就是分用，可以理解为一个拆快递的步骤

当数据到达服务器 B 后，是一个逆向过程。但分用不仅仅是"拆"，更重要的是根据标识，决定把数据交给上一层的谁。

第一步：物理层 -> 数据链路层

• 动作： 网卡还原电信号为数据。

• 分用依据： 检查以太网帧头中的类型字段（Type）。如果是 0x0800，说明里面装的是 IPv4 数据，于是把数据剥去帧头帧尾，交给网络层处理。

第二步：网络层 -> 传输层

• 动作： IP 协议解析 IP 首部。

• 分用依据： 检查 IP 首部中的 "协议号" (Protocol) 字段。

  • 如果是 6，说明是 TCP，交给 TCP 协议处理。

  • 如果是 17，说明是 UDP，交给 UDP 协议处理。

  • （这里就是"分用"的关键：IP层通过协议号区分上层协议）。

• 结果： 剥去 IP 首部，露出 TCP 段。

第三步：传输层 -> 应用层

• 动作： TCP 协议解析 TCP 首部，进行确认应答、排序等操作。

• 分用依据： 检查 TCP 首部中的 "目的端口号"。

  • 发现端口是 80，操作系统查找哪个进程正在监听 80 端口（通常是 Tomcat/Nginx/Apache）。

• 结果： 剥去 TCP 首部，将原始数据放入该进程的接收缓冲区。

第四步：应用层

• 动作： Web 服务器程序从缓冲区读取数据，解析出 GET /index.html，开始处理业务逻辑。

在这一些列的封装和分用的过程中，也要注意上下层的传输逻辑

1.在封装的过程中，上层调用下层的服务，给数据头累积添加包装，数据体增大

2.分用是对数据包装的拆解，在拆解的过程中，通过拿到外层头部的信息标识。这个标识决定的数据之后要给哪一层的协议处理

以上就是对网络原理中的一些基本概念的简单介绍，如有纰漏还请指出