网络通信基础：IP、端口、协议分层与数据封装

计算机连接起来以后，数据到底应该送到哪里，又应该怎样理解收到的数据？

围绕这里，就需要我们先了解四个概念：

IP 地址
端口号
协议
五元组

它们之间有联系，我们把它们放到同一个场景里理解。

1. 网络通信基础

我们平常会说，我的电脑正在和服务器通信，但再往里面看，真正需要交换数据的是：两边正在运行的程序，也就是进程。

就比如：

场景	发起通信的程序	接收通信的程序
浏览网页	浏览器	网站服务器程序
使用 JDBC 查询数据库	Java 程序	MySQL 服务程序
聊天	聊天客户端	聊天服务器程序

之前学习 JDBC 的时候就写过相关代码：

java 复制代码

DriverManager.getConnection(
    "jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/java113",
    user,
    password
);

此处正是设计网络通信了，Java 程序通过 JDBC 驱动，与 MySQL 服务程序建立连接、交换数据。所以会说，网络通信更具体的说，是进程之间基于网络传输数据。

至于接收数据的程序在哪台设备上 以及找到设备以后把数据交给哪个程序这就需要 IP 和端口号了。

1.1 IP 地址

IP 地址可以理解为，用于定位主机的网络地址

就像是寄快递填写的，某个城市、某条街道、某栋楼

同样，发送网络数据时，也需要有目标地址，类似192.168.1.20

更严谨地说，IP 地址配置在网络接口上，一台设备可以有多个 IP 地址，并不是每台电脑永远只有一个地址。

此处我们讨论的是 IPv4：

IPv4 地址占 32 位，也就是 4 个字节，是一个 32 位的二进制数，通常分成四个 8 位部分。

使用的是点分十进制表示法

部分	占用位数	十进制范围
第一部分	8 位	0～255
第二部分	8 位	0～255
第三部分	8 位	0～255
第四部分	8 位	0～255

而常用的 127.0.0.1，则是一个回环地址，通常用于访问本地的网络服务~

而 localhost，则是主机名，但常被解析为127.0.0.1，当然也有可能解析为 IPv6 的 ::1

项目	`localhost`	`127.0.0.1`
类型	主机名	IPv4 地址
含义	本地主机	IPv4 回环地址
是否需要解析	需要	不需要
可能解析为	`127.0.0.1` 或 `::1`	永远是 IPv4
网络协议	可能 IPv4 / IPv6	IPv4

对于当前很多 AI 小白利用 AI 做项目的时候，就常有将访问本地资源的localhost分享给他人而搞出段子~

你可以这样记住区别：

localhost 是主机名，127.0.0.1 是 IPv4 回环地址。localhost 通常会解析到 127.0.0.1，但也可能解析到 IPv6 的 ::1，所以两者不能认为绝对完全相同。

1.2 端口号

端口号就是负责，数据发送到目标主机时，将数据送到哪一个进程的。

用快递类比就是：

IP 地址类似收货地址。
端口号类似这个地址下的收件入口。

通常，一台设备可以有：

服务	假设监听的端口
MySQL 服务	`3306`
Java 服务 A	`8080`
Java 服务 B	`9090`

那么192.168.1.20:3306和192.168.1.20:8080，虽然目标设备相同，但目标服务入口不同。

而端口号的范围也就是 TCP、UDP 等传输协议使用 16 位端口号，所以数值范围是 0~65535。因为 2¹⁶=65536

而端口号和进程编号 PID 不是一回事~

PID 只是用于操作系统用来标识进程的，而一个进程可以拥有多个端口号~

实际接收数据时，操作系统会根据地址、传输协议、端口等信息，找到对应的套接字，再交给应用程序处理。后面学习 Java Socket 时，会具体使用它。

1.3 协议

协议的作用就相当于双方提前约定"数据怎样组织、怎样解释，以及通信过程中怎样行动"

就比如会这样约定：

约定	目的
文字使用 UTF-8 编码	接收方知道怎样解码
消息中携带长度信息	接收方知道正文有多少字节
某种消息表示请求，另一种表示响应	接收方知道该怎样处理

这里是在举自定义协议规则的例子，具体协议会有自己的设计。

所以，协议不仅规定数据格式，也会规定通信行为。

TCP、UDP、HTTP、MySQL 协议等，都在不同层次解决通信中的问题。

你写 JDBC 时，不需要自己把 SQL 拼成 MySQL 协议的数据包，是因为：

JDBC 驱动已经帮你实现了与 MySQL 服务通信的协议处理。

1.4 五元组

对于常见的 TCP、UDP 通信，这五项是：

字段	含义
源 IP 地址	数据从哪个网络地址发出
源端口号	发送方使用的端口
目的 IP 地址	数据发往哪个网络地址
目的端口号	接收方使用的端口
传输层协议	使用 TCP、UDP 等哪种协议

此处的"源"和"目的"，是相对于当前的数据传输方向来说的~

我这里继续拿 Java 访问 MySQL 举例：

假设

Java 程序所在设备的 IP 是 192.168.1.10

MySQL 所在设备的 IP 是 192.168.1.20

Java 这次连接使用本地端口 50000

MySQL 服务监听 3306

使用 TCP 通信

Java 向 MySQL 发送数据时：

五元组字段	值
源 IP	`192.168.1.10`
源端口	`50000`
目的 IP	`192.168.1.20`
目的端口	`3306`
协议	`TCP`

MySQL 回复时，源和目的会交换：

五元组字段	值
源 IP	`192.168.1.20`
源端口	`3306`
目的 IP	`192.168.1.10`
目的端口	`50000`
协议	`TCP`

所以显然，客户端并不永远是"源"，服务器也不永远是"目的"。谁正在发送，谁就是这个方向上的源。

假设很多客户端都在连接同一个 MySQL 服务。

它们的目的地址和目的端口可能都是192.168.1.20:3306

服务器还需要区分：

这份数据来自哪一条连接？回复应该发给谁？

这就需要结合客户端的地址和端口。

因此，同一个服务端口可以接待很多连接，不是"一条连接就独占整个服务端口"。

在 Windows 中，可以通过：

bash 复制代码

netstat -ano

三个选项分别表示：

选项	作用
`-a`	显示活动连接及监听端口等信息
`-n`	使用数字显示地址和端口
`-o`	显示相关连接的进程编号 PID

如果需要过滤（一般是通过端口号或进程 PID 过滤），可以使用 netstat -ano | findstr 过滤字符串

2. 协议分层

当前的问题是，刚刚上面的所有工作该如何分工。

解决方法是，把网络通信的工作划分为不同层次，各层负责自己的任务，并通过约定好的接口协作。

2.1 同层之间遵守协议，相邻层之间使用服务

先来看上图中的例子：

把打电话分成两层：

语言层负责双方用什么语言交流，怎样理解对方说的话

通信设备层负责怎样通过设备传递声音

这里其实有两套规则：

语言层规则

双方需要理解汉语，才能明白：

"你明天几点到？"

通信设备层规则

电话系统需要按照相应规则，把声音传递给对方。

它负责让对方听到声音。

其实也就是，第一层封装，第二层解耦

上层协议不需要了解下层协议的细节~打电话的人会说话就行，不需要理解电话机原理
分层后，灵活的替换其中的某一层，对于整体的工作过程影响很小

关于下方的两个改变，主要改变的是：上层怎样组织和理解表达内容

底下的电话系统仍然可传递声音。

所以分层的价值就是，在接口和服务约定保持兼容的情况下，一层的变化可以尽量减少对其他层的影响。

当然，实际网络通信比这个例子要复杂，一层的变化可以尽量减少对其他层的影响。

其实分层是比较类似"面向接口编程"

就类似调用方使用接口，提供方通过接口提供服务。

网络分层也有类似的思想：

上层使用下层提供的服务
下层通过接口提供能力，隐藏自己的实现细节

同层之间遵守协议，相邻层之间使用服务

此处要分清两个方向：

同一设备内部，上层通过接口，使用下层的服务

通信双方之间，双方对应层需要遵守相应的协议

2.2 OSI 七层模型

OSI（Open System Interconnection）开放系统互联

但 OSI 七层网络模型复杂也不实用，所以 OSI 七层模型都没有落地实现

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

2.3 TCP/IP 五层（或四层）模型

五层或四层只是视角不同罢了~

TCP/IP 是一组协议的代名词，其中包含 TCP、UDP、IP 以及许多应用层协议

首先是应用层。它关注的是应用程序之间，应该交换什么消息，又该如何理解这些信息。就比如 HTTP(网页等资源的请求与响应)、SMTP(电子邮件传输)、FTP(文件传输)等。在编写 Java 网络程序，主要就是在这一层组织业务消息，并通过 Socket 等接口使用下层的传输服务。当然，这一层你也可以理解为买家在拿到包裹后如何使用~
传输层关注的是 通信两端的应用怎样交换数据（如 TCP 传输控制协议）。 之前了解到的端口号就在此处发挥作用。字面意思就是，两个任意设备之间的通信，不考虑中间过程，只考虑起点和终点。就像是卖家在寄件时，只负责填发货地址和到货地址即可。
网络层，处理地址与跨网络转发，也就是负责地址管理和路由选择。两台主机之间可能隔着很多网络和路由器（就像是《无敌破坏王》中那样到网络中心一样），这一层就关心数据下一步该往哪里转发，对应的就是前面的 IP 地址。路由器会根据目的 IP 地址和路由表等信息，选择下一跳。并不要求发送方提前固定好整条完整路径。
数据链路层，则是负责设备之间的数据帧的传送和识别。这一层通常会处理数据帧的组织、链路上的寻址（如以太网中的 MAC 地址）、介质访问、差错检测等。主要就是关注当前链路上怎样把数据送到下一站。
物理层，真正传递信号。数据帧最终还需要通过实际介质传出去。而物理层就负责光/电信号的传递方式。这一层设计信号编号、传输介质、接口等问题。所以应用层所表达的业务消息，最终需要借助这些物理能力完成传递。

就相当于，我在淘宝上买了床刷子

我则关心床刷子买到之后，我要如何使用 ->应用层

卖家只要关心收件人信息 ->传输层

物流公司则关心包裹以怎样路径传输的 ->网络层

快递小哥/货车司机考虑的是相邻节点 ->数据链路层

国家在铺桥修路 ->物理层

写代码主要就是工作在应用层了~

而像主机、路由器、交换机就分别对应下方：

主机 -> 工作过程涉及到从物理层->应用层（通过应用程序满足网络通信的需求）

路由器-> 工作过程涉及到从物理层->网络层（组建局域网，进行网络）

交换机-> 工作过程涉及到从物理层->数据链路层（对路由器的接口的扩展，不需要考虑组网的问题）

此处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）

上面的工作区间也是一个经典的面试题

2.4 一则信息的全过程

2.4.1 数据发送

假设我通过 QQ，发送 Hello 给好友：

应用程序会先获取到用户输入，构造一个应用层的数据包。这个应用层数据包就会遵循应用层的协议（这部分往往是开发者自己定义的）。假设此处的协议格式是：

发送者的 qq 号，接收者的 qq，消息的时间，消息正文。（类似下图这种）

就以此为例：1234567,7654321,2026-10-04，12:00:00，Hello（当然实际是会加密的）

注：上述所说的数据包往往是"结构化数据"。发送数据的时候，把结构化数据 -> 字符串/二进制 bit 流（序列化）；接收数据的时候，字符串/bit 流 -> 结构化数据（反序列化）

应用程序调用传输层提供的接口（API 也就是 socket api），把数据交给传输层。传输层拿到数据之后，构造出"传输层数据包"。传输层的协议主要就是两个：TCP、UDP。得到数据包形式：TCP 数据包 = TCP 报头（header） + TCP 载荷（payload）。TCP 载荷就是应用层数据包。

传输层构造好数据之后，继续调用网络层的 api，把传输层的数据包交给网络层。网络层继续进行处理。网络层最主要的协议就是 IP 协议。IP 协议会继续对上述数据包进行加工 -> 拼上 IP 报头~。得到的 IP 数据包形式就是： IP 数据包 = IP 报头 + IP 载荷（整个传输层的数据包）。其中 IP 报头包含的信息也有很多的，就比如源 IP 或目的 IP。

注：IP 报头还会记录传输层使用的是哪个协议。同样的，传输层报头中也会记录应用层使用的是哪个协议（准确的说是数据交给哪个应用程序）...