网络编程基本概念(一篇文章掌握基本内容的详细概念,IP,端口号,协议,协议分层,封装和分用,客户端和服务端,请求和回应,两台主机的通信)

逃离我推掉我的手 2024-04-23 12:56 21阅读 0赞

## 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。  
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的格式**  
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。

## 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。  
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）。

**格式**  
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。

## 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？  
基于⽹络数据传输，需要使⽤协议来规定双⽅的数据格式。

**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。

**为什么需要协议呢:**

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?  
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；

**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

## 协议分层 ##

什么是协议分层  
协议分层类似于打电话时，定义不同的层次的协议.

就好像boss给高层思想,高层给中层指令,中层 给下层任务.老板不需要知道下层干什么.(不然一个人不可能什么事情都干完)

**分层的作⽤**  
为什么需要⽹络协议的分层  
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

**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；

OSI?七层模型划分为以下七层：

![773e2a03964e46739aeaba974bb47e5a.png][]

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，也即是以下TCP/IP五层（或四层）模型来实现。

**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。

![abbac504d7524135ab15534d8a8b5628.png][]

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。

**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；

**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：

![ac64a9754e8b4774b7862545cdcf4c3b.png][]

TCP/IP通讯过程

![935960bf5ca642769244bbb444b65695.png][]

## 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⻓，载荷(payload)有多⻓，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:

![4780c90d699f451d8340f26609cf252c.png][]

## **客⼾端和服务端** ##

服务端：在常⻅的⽹络数据传输场景下，把提供服务的⼀⽅进程，称为服务端，可以提供对外服务

客⼾端：获取服务的⼀⽅进程，称为客⼾端。

**常⻅的客⼾端服务端模型**  
最常⻅的场景，客⼾端是指给⽤⼾使⽤的程序，服务端是提供⽤⼾服务的程序：  
1. 客⼾端先发送请求到服务端  
2. 服务端根据请求数据，执⾏相应的业务处理  
3. 服务端返回响应：发送业务处理结果  
4. 客⼾端根据响应数据，展⽰处理结果（展⽰获取的资源，或提⽰保存资源的处理结果

## 请求 ##

客户端发给服务端的语句.

## 回应 ##

服务端根据客户端发过来的东西,进行回应,然后给客户端

## 两台主机间的通信 ##

我们这里模拟两台电脑之间的通信

服务端代码

import javax.imageio.stream.ImageInputStream;
    import java.io.IOException;
    import java.io.InputStream;
    import java.io.OutputStream;
    import java.io.PrintStream;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    import java.util.Scanner;
    
    public class TcpEchoServer {
        ServerSocket serverSocket = null;
    
        public TcpEchoServer(int port) throws IOException {
            this.serverSocket = new ServerSocket(port);
        }
       public void start() throws IOException {
           System.out.println("服务器启动");
            while(true){
                Socket clientSocket = serverSocket.accept();
                processConnection(clientSocket);
            }
       }
    
        private void processConnection(Socket clientSocket) {
            try(InputStream inputStream = clientSocket.getInputStream();
                OutputStream outputStream = clientSocket.getOutputStream()){
    while(true){
        Scanner scanner = new Scanner(inputStream);
        if (!scanner.hasNext()){
            break;
        }
        String request = scanner.next();
        String respond = process(request);
        PrintStream printStream = new PrintStream(outputStream);
        printStream.println(respond);
        printStream.flush();//这里要加这个,不然如果只有一个请求,不会马上执行,就需要多个请求才会执行.如果加了flush,就可以马上执行;(至于为什么一个不执行:是因为效率)
        System.out.printf("[%s:%d] req: %s, resp: %s\n", clientSocket.getInetAddress(),clientSocket.getPort(),request,respond);
    }
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    
        public String process(String request) {
            return request;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            TcpEchoServer tcpEchoServer = new TcpEchoServer(9001);
            tcpEchoServer.start();
            
        }
    }

客户端代码

import com.sun.corba.se.spi.activation.Server;
    
    import java.io.IOException;
    import java.io.InputStream;
    import java.io.OutputStream;
    import java.io.PrintStream;
    import java.net.Socket;
    import java.util.Scanner;
    
    public class TcpEchoClient {
        Socket socket =null;
        String serverIP ;
        int port;
        public TcpEchoClient(String serverIP,int port) throws IOException {
            socket = new Socket(serverIP,port);
            }
            public void start(){
            Scanner scannerConsole = new Scanner(System.in);
                try(InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream()){
                   while(true) {
                       System.out.print("-> ");
                       String request = scannerConsole.next();
                       PrintStream printStream = new PrintStream(outputStream);
                       printStream.println(request);
                       printStream.flush();
                       Scanner scannerNetwork = new Scanner(inputStream);
                       String respone = scannerNetwork.next();
                       System.out.println(respone);
                   }
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            TcpEchoClient tcpEchoClient = new TcpEchoClient("127.0.0.1",9001);
            tcpEchoClient.start();
        }
        }

下面我们来一步步解析这段代码是如何交互的:

1.首先服务端得先启动,创建服务端的端口号.

![c9d7f4eb6b604453bb378b60fa59a62e.png][]

2.服务端创建完毕后,客户端就可以启动

![51ab9c71a3b54354a405505d4a6a7693.png][]

3.客户端开始给服务端传递请求

![36d80d126194466baa52c11af78e76a0.png][]

然后客户端将请求传递过去(这里我们使用PrintStream,方便传递,然后还要使用flush,不然一次数据太少了,他不会传递,会等到数据累计多了才传递,所以我们为了无论多少数据都传递,就得使用flush,这个是优化问题)

![b85135e7f31c40a0a68fc84ec6eff45a.png][]

4.TCP协议,得用accept接收.![f80661209b7246bebb1ab03c276646bb.png][]

接受到客户端发过来的Socket之后,就可以正常使用了,通过Scanner将客户端的请求数据输入到服务器中.

![ebcedda18d7046ef9043b3d333f705c5.png][]

然后服务器将客户端的代码通过process方法处理请求

![29b40edd4e744e18bc50bd1d277af610.png][]

服务端将处理好的请求还给客服端.

![dd77aea77b9d429d95ca7e0b90fdb91b.png][]

5.然后客服端接受服务器返回的处理过的请求,自此完成交互![f1235228910a4ac5b1c349590742c8a9.png][]

[773e2a03964e46739aeaba974bb47e5a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/0e420074834d40309e01db50d2a769fe.png
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