【JavaEE】【网络原理】初识网络

一、网络互联

网络互联：

网络互联是指将两个以上的通信网络通过一定的方法，用一种或多种网络通信设备相互连接起来，以构成更大的网络系统。
网络互联的目的是以实现不同网络中的用户可以进行互相通信、共享软件和数据等。

数据共享：

数据共享就是让在不同地方使用不同计算机、不同软件的用户能够读取他人数据并进行各种操作、运算和分析。

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。

二、局域网与广域网

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。

指在较小的地理区域内，通过传输介质连接的一组计算机及其外围设备的网络 。局域网的传输速度较快，一般在几百Mbps到几Gbps，延迟较低。局域网是一种私有网络，一般在一座建筑物内或建筑物附近，主要用于办公室、学校、研究所或家庭等相对较小的地理范围内。局域网便于共享资源，如打印机、文件服务及其他应用程序，并可实现数据和信息的快速交换。

局域网组建网络的方式：

• 基于网线直连：
  
• 基于集线器组建：
  
• 基于交换机组建：
  
• 基于交换机，路由器组建：
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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。

连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网并不等同于互联网。

三、网络通信基础

3.1 IP地址

IP地址：通俗理解就是标识网络中一台设备所在的位置。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。

3.2 端口号

端口号：通俗理解，因为一台主机上会有多个应用程序同时使用网络，二端口号就是区分一台主机上多个应用程序的。

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。

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。

3.3 网络协议

网络协议：简单理解就是，通信双方对于发送数据，接收数据格式的约定。最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

构成三要素：

1. 语法：即数据与控制信息的结构或格式；
   类似打电话时，双方要使用同样的语言：普通话
2. 语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；
   语义主要用来说明通信双方应当怎么做。用于协调与差错处理的控制信息。
   类似打电话时，说话的内容。一方道：你瞅啥？另一方就得有对应的响应：瞅你咋的！
3. 时序，即事件实现顺序的详细说明。
   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。比如是采用同步传输还是
   异步传输。
   女生和男生的通话，总是由男生主动发起通话，而总是在男生恋恋不舍的时候，由女生要求
   结束通话。

3.4 五元组

五元组：进行一次网络通信，5个非常关键的信息，有源IP，源端口，目的IP，目的端口，协议类型。

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. 协议类型：标识发送进程和接收进程双方约定的数据格式

四、协议分层

协议分层：

网络通信的过程非常复杂，如果一个协议包含了网络通信中的各方面问题，这个协议将非常复杂，庞大。
把一个大的协议，拆分成若干个小协议，功能单一的协议，但是这些协议又过多。
我们就将这些小协议进行归类，讲这些小协议以类型进行分层。

只有两个相邻层的协议之间才能进行交互。

协议分层的好处：

1. 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
2. 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。
3. 封装：上层协议不需要了解下层协议的细节。
4. 解耦：分层之后，灵活的替换其中的某一层，对于整体的工作过程影响很小。

4.1 OSI七层网络模型

OSI七层网络模型：这个体系过于复杂，实际应用的真实网络分层方式更简化。

4.2 TCP/IP五层(四层)网络模型

TCP/IP五层(四层)网络模型：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。

分为以下五层：

1. 应用层：关注拿到数据之后怎么使用。负责应用程序间沟通，网络编程主要就是针对应用层。
2. 传输层：关注两个任意设备之间进行通信，但是不关心中间设备，只关心起点与终点，也就是源主机和目的主机。
3. 网络层：关注两个任意设备之间如何进行通信。负责地址管理和路由选择。
4. 数据链路层：完成两个相邻设备之间如何进行通信。负责设备之间的数据帧的传送和识别。
5. 物理层：规定一些网络通信中的硬件设施符合的要求。负责光/电/电磁信号的传递方式。

有些资料将数据链路层和物理层合在一起，所以也叫TCP/IP四层协议。

4.3 网络设备

主机：工作过程中主要涉及物理层到应用层。通过应用程序满足网络通信的需求。

路由器：工作主要涉及物理层到网络层，组建局域网，进行进行网络数据包之间的转发。

交换机：工作主要涉及物理层到数据链路层，对路由器接口的扩展，不需要考虑组网的问题。

但是现实的路由器和交换机很多都有对方的功能了。

五、网络数据通信基本流程。

5.1 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，称为分用。

5.2 简述过程

我们就使用两个设备之间的通信，简述发出和接收两个过程。

封装：

1. 应用程序，获取到用户输入，构造一个“用户数据包”。
   1.1. 这个用户数据包遵守开发这个程序的程序猿定义的应用层协议。
   
2. 应用程序调用传输层提供的API，把数据交给传输层。传输层拿到数据之后构造出“传输层数据段”。
   2.1. 这个“传输层数据段”遵守传输层协议，主要是TCP协议，UDP协议。
   2.2. 以TCP协议来说：传输层数据段，也就是TCP数据段由TCP段头+TCP载荷。TCP载荷就是“用户数据包”。
   
3. 传输层构造好“传输层数据段”后，继续调用网络层的API，把“传输层数据段”交给网络层，网络层拿到数据后构造出“网络层数据报”。
   3.1. 这个“网络层数据报”遵守网络层协议，主要是IP协议。
   3.2. 以IP协议来说：“网络层数据报”，也就是IP数据段由IP报头+IP载荷。IP载荷就是“传输层数据段”。
   
4. 网络层构造好“网络层数据报“后，继续调用数据链路层的API，把“网络层数据报”交给数据链路层，数据链路层拿到后构造出“数据链路层数据帧”
   4.1. “数据链路层数据帧” 遵守数据链路层协议，主要是以太网协议。
   4.2. 以以太网协议为例：数据链路层数据帧，也就是以太网数据帧由以太网帧头+以太网载荷+以太网帧尾。以太网载荷就是网络层数据报。
   
5. 数据链路层构造好“数据链路层数据帧”后，继续调用物理层的API，把“数据链路层数据帧”交给物理层，物理层给网卡，网卡将上诉二进制数据，最终以光/电/电磁信号发送出去。

分用：

1. 信号到达接受方网卡，网卡将这些信号还原为二进制数据，交给上层数据链路层。
2. 数据到达数据链路层，通过帧头帧尾包含的数据反应出使用的数据链路层协议，按该协议进行解析，将载荷数据传给上层网络层。
3. 数据到达网络层，通过报头包含的数据反应出使用的网络层协议，按该协议进行解析，将载荷数据传给上层传输层。
4. 数据到达传输层，通过段头包含的数据反应出使用的传输层协议，按该协议进行解析，将载荷数据传给上层应用层。
5. 数据到达应用层，按照程序的应用层协议解析，将信息输出给接受者。

当涉及到路由器与交换机时就有下面工作流程：

路由器工作：

主机的数据 =>路由器,路由器收到之后,物理层,数据链路层,网络层解析 (没有传输层),重新构造出新的网络数据包,构造出以太网数据帧,构造出二进制数据,进行转发。
路由器是工作在网络层，这也叫三层转发。

交换机工作：

主机的数据 =>交换机,交换机收到之后,物理层解析,数据链路层解析(没有网络层了),重新构造出新的以太网数据帧,发给下一个设备数据链路层中,得到的以太网数据帧的帧头,信息就足以支持交换机进行下一步工作。
交换机是工作在数据链路层。这也叫二层转发。