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)

news2025/2/2 3:41:42

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：

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。

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：

TCP/IP通讯过程

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: 

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.

2.服务端创建完毕后,客户端就可以启动

3.客户端开始给服务端传递请求 

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)

4.TCP协议,得用accept接收.

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.

然后服务器将客户端的代码通过process方法处理请求

服务端将处理好的请求还给客服端.

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

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