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【JavaEE 初阶】⽹络原理 - 初识

article 2024/12/2 11:53:31

一、⽹络发展史

单机时代==》局域网时代==》广域网时代==》移动互联网时代

1.独⽴模式

独⽴模式：计算机之间相互独⽴

2.⽹络互连

随着时代的发展，越来越需要计算机之间互相通信，共享软件和数据，即以多个计算机协同⼯作来完成业务，就有了⽹络互连。

⽹络互连：将多台计算机连接在⼀起，完成数据共享。

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）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

(2）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。

        如果有北、中、南等分公司，甚⾄海外分公司，把这些分公司以专线⽅式连接起来，即称为“⼴域⽹”。

        如果属于全球化的公共型⼴域⽹，则称为互联⽹（⼜称公⽹，外⽹），属于⼴域⽹的⼀个⼦集。

        有时在不严格的环境下说的⼴域⽹，其实是指互联⽹。

        所谓 "局域⽹" 和 "⼴域⽹" 只是⼀个相对的概念。⽐如，我们有 "天朝特⾊" 的⼴域⽹，也可以看做⼀个⽐较⼤的局域⽹。

3.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，是⽹络主机中的不同进程间，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。

4.IP地址

（1）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。

（2）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。

5.端⼝号

（1）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）。

（2）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。

Q: 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？

A: 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。

二、认识协议

1.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。

2.作⽤

为什么需要协议？

就好⽐⻅⽹友，彼此协商胸⼝插⽀玫瑰花⻅⾯，这就是⼀种提前的约定，也可以称之为协议。

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；

3.五元组

在TCP/IP协议中，⽤五元组来标识⼀个⽹络通信：

源IP：标识源主机
源端⼝号：标识源主机中该次通信发送数据的进程
⽬的IP：标识⽬的主机
⽬的端⼝号：标识⽬的主机中该次通信接收数据的进程
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：

可以在cmd中，输⼊ netstat -ano 查看⽹络数据传输中的五元组信息：

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

4.协议分层

对于⽹络协议来说，往往分成⼏个层次进⾏定义。

(1)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：

在这个例⼦中，我们的协议只有两层；但是实际的⽹络通信会更加复杂，需要分更多的层次。

(2)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，如下图：

只有相邻两层协议之间可以进行交互
上层协议可以调用下层协议,且不需要了解下层协议的细节（便于封装）
下层协议可以给上层提供服务
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（便于解耦）

(协议之间的交互,不能跨层进行)

5.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：

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。

6.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：负责任意两台主机之间的数据传输（不考虑中间过程）。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任意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：负责相邻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(硬件设施符合的要求）。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。

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应用层到物理层的内容（通过应用程序满足网络通信的内容）
对于⼀台路由器，它实现了从⽹络层到物理层（组建局域网，进行网络数据包的转发）
对于⼀台交换机，它实现了从数据链路层到物理层（对路由器的接口进行拓展，不需要考虑组网的问题）
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。