java——网络原理初识

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1.网络通信概念初识

1.1 IP地址

网络互联的目的就是进行网络通信,也就是从网络获取数据,说具体一点,就是网络主机中不同进程之间进行通信
那么,在组件的网络里,到底是怎么判断是从哪台主机,将数据传输到哪台主机的呢??
这就需要使用IP地址来标识
IP地址用来标识网络上一个设备的位置,通过位置找到这个设备进行进一步的通信
IP地址实际上是一个32位的整数(针对IPV4),也就是 4个字节的数
但是我们在平常见到的往往是使用"点分十进制" 的方式 来表示IP地址
所谓"点分十进制" 就是将上述的IP地址分成4个部分,每个部分一个字节,并且每个部分表示的范围在 0 - 255

1.2端口号

IP地址是用来标识不同主机的
而端口号就是用来标识一个主机上的不同程序
要求在每个程序启动的时候,就需要关联上一个和别的程序不一样的端口号

1.3协议

协议就是"约定",是通信双方对通信规则的约定
这个约定一定是双方都认可的,就是约定在通信的时候,哪一部分该怎么做
进行网络通信的时候,是一定要有通信协议的
就是为了保证,在不同的主机,不同的设备上,即使是不同的硬件,不同的操作系统,不同的应用程序,也能保证通信的正常进行
在网络通信过程里面,通信协议是非常重要的环节

1.3.1协议分层

网络通信是一个非常复杂的事情,涉及到很多的细节问题
如果是仅仅只是通过一个协议就约定了上述所有的细节该怎么实现,那么这个协议将会非常庞大
最好的办法就是 将上面庞大的协议,进行拆分
拆分就是为了更好的管理,不要让这个东西太复杂,让拆分完后的每一部分,复杂一个功能模块
此时,就可以将一个功能复杂的协议,拆分成多功能单一的协议的

拆分是拆分了,但是拆出来的协议太多了,就要对协议进行分类分层
就类似于在公司:

虽然整体的人多,分出来的组别也多,但是不会乱

而分层,不乱的前提是,不能分级汇报工作

协议分层也就是类似上面的效果,将很多协议,按照不同的功能分层不同的层级,每一个层级都有对应的主线任务(目标,要解决的问题)

上层协议会调用下层协议的功能,下层协议会给上层协议提供服务(不能越级调用)

协议分层带来的好处主要有两个方面

(1)封装的效果
即某一层协议不必知道其他层协议的细节,降低学习成本

按照如图所示的类似封装效果,那么此时会汉语的两个人,不必知道电话通信的原理,就能打电话

而设计电话的人,也可能不懂汉语,但是也不影响他开发电话

(2)任意协议之间,都是可以灵活替换的 即方便进行解耦合

即使层级内部的协议变了

站在使用者的角度,完全感知不到,电话机有任何区别

站在电话开发者的角度,也不必对针对英语做出任何的修改

此时引入协议分层就对 整个网络升级迭代,带来了很大的便利

我们当前的网络现状,就是有很多协议,这些协议就是按照一定的分层规则,组织起来的

有两种分层规则:OSI七层模型 和 TCP/IP五层(或四层)模型

但是OSI七层模型只是存在于教科书上,是一种理想化的模型,客观世界是不存在的(搞得太复杂了)

因此我们主要来看 TCP/IP五层(或四层)模型

1.3.2 TCP/IP五层 (或四层模型)

TCP/IP五层(或四层)模型实际上是 OSI七层模型的简化版

我们目前接触到的网络,大部分都是TCP/IP五层(或四层)模型,电脑上网基本都是,至于手机上网的 4G 5G通信,就是一套专门的协议

(1)物理层

就是硬件层面上的相关约定,比如网口,网线…

(2)数据链层,网络层,传输层,应用层

举个例子:
我们在淘宝上买衣服,下单的时候,就需要填写收件人信息,同时商家也需要填写发件人的信息

此时我和商家就只是关注收件人信息和 发件人信息 ,即终点和起点

这就类似于传输层,只关注 通信双方的起点和终点
即"端"到"端"的传输(endPoint)

接下来商家发货,就会把快递交给快递小哥拿到快递公司,此时快递公司就会对这些快递进行分拣,根据不同的目的地,安置到不同的传输路线上

例如有的是"上海 - > 重庆" ,有的是"上海 -> 广东",而即使是"上海 - > 重庆",中间也有不同的中转站

快递公司就会把路线规划好,包裹就会按照这样的既定路线进行传输

这就类似于网络层,关注的是通信中,通信路线的规划
规划出的路径,就决定了数据要经过哪些节点,即"点到点的传输"

此时具体到运输层面上,即具体咋运输,就要有快递员自行确定了

例如上海到 ->苏州是大卡车,苏州到 南京是火车…

这就类似于数据链路层,关注的是通信过程中,相邻两个点之间的运输

当我买家拿到快递后,此时我们拿到快递后具体需要干什么,就是我自己关心的事情,商家 / 快递公司不关心

这就类似于应用层,和具体应用直接相关,传输的数据干啥用,如何使用,有啥意义

这就是TCP / IP五层

而有一些资料把上述的五层称为四层,实际上就是 不单独算物理层(实际上物理层数据链层可以合并)

如图所示,实际上两种模型的区别就在于,TCP/IP模型,将应用层,表示层,会话层合并成一个应用层了

至于其他层,都是同一个东西,只是不同的叫法

1.3.3 协议的层和层之间是怎么配合工作的

上层协议会调用下层协议的功能,下层协议会给上层协议提供服务

我们通过一个实际场景来解释:

A 通过 QQ 给 B 发送 hello消息

QQ应用程序就要负责实现上述的逻辑

(1)应用层

QQ应用程序首先就需要把上述要传递的内容,组织成 “应用层数据包”

QQ里会有一个应用层网络协,协议就是规定了,数据按照怎么样的格式来组织

而网络上传输的数据本质上就是二进制字符串

因此发送人 接收人 消息时间,消息内容 就要组织到一个字符串里面,组织的时候,就要按照一定的格式来组织

不同协议,数据组织的格式是不同的

此时我们假设,QQ应用层协议是这样的:发送人的QQ号,接受人的QQ号,发送时间,消息正文\n(即使事实上的QQ应用层协议更加复杂,但是本质上也是把各个属性信息,组织成一个字符串,即将结构化的数据,转化为字符串 / 二进制字符串 -> 序列化)

假设此时的应用层数据包是:

(2)传输层

此时应用层数据已经有了,QQ应用程序就要调用系统的API来进行传输,就要将数据交给传输层(传输层(操作系统内核提供了API),让应用程序去调用 -> 称为 socket api)

调用这样的api,就能交给数据交给传输层(进入到系统内核了)

传输层拿到应用层数据包后,就要对应用层数据包进行进一步的封装,构造成"传输层数据包"

在传输层里有两个典型的协议,TCP,UDP(此处假设使用UDP来作为传输层协议)

而报头里面放的是一些UDP相关的属性(比如发件人和收件人的端口号,就在UDP中)

报头后面的数据就称为UDP数据包的载荷(payLoad)

这种过程就类似于包装快递

(3)网络层

传输层构造好数据包后,就会继续把数据包交给网络层(传输层会调用网络层提供的API,这个调用的过程是系统内核自己负责的)

在网络层,典型的协议就是IP协议

IP数据包不关心后面的载荷是啥,只关心IP报头里的数据(发件人的IP地址和收件人的IP地址)

(4)数据链层

网络层又进一步调用 数据链层的API,把上述IP数据包进一步交给数据链层

这里同样也是操作系统内核完成的工作

而这里调用的API往往是网卡驱动程序提供的

数据链层的典型协议就是以太网

电脑通过有线网传输数据,走的就是以太网协议,我们电脑上插的网线就是 (以太网线)

此时上述数据就已经进入到网卡驱动里了,接下来就要真正发送出去了

(5)物理层

上述数据本质上还是0101这样的二进制数据

硬件设备就要把上述数据转化成光信号 / 电信号 / 电磁波 ,才会真正发射

上述层层包装数据,不停的加数据报头的过程,就是 “封装”

而上述数据实际上不是直接到达B,而是先到达和A连接的交换机 / 路由器

而数据到达B之后,要做的事情就是 上述过程的逆过程

(1)物理层

收到一系列光信号后,把这些信号转成0101这样的二进制数据,交给数据链路层

(2)数据链路层对数据进行解析(解析报头里的关键信息,为后续的传输 / 转发 打下基础,还要拿到载荷数据)

此时解析出来的数据是要交给上层的

(3)网络层

IP协议按照协议对从数据链路拿到的数据进行进一步解析,解析报头中的关键信息,取出载荷

进一步将解析出来的数据交给 传输层

(4)传输层

拿着传输过来的UDP数据包,按照UDP格式进一步解析,解析出关键信息(要给哪个端口号使用),以及解析出载荷

再进一步将载荷交给对应的应用程序

(5)应用层

QQ拿到应用数据包

按照自己的协议格式进行解析,将前面拿到的结构化数据,显示到页面上

注意:这样的网络数据在发送之后,实际上再中间会经过很多路由器 / 交换机进行转发,此时路由器和交换机也会进行封装分用

但是与上面不同的是,路由器只是封装到网络层即可,而交换机封装到数据链路层

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