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🛰️🛰️系列专栏:【JavaEE】

✈️✈️本篇内容:网络初识之网络通信基础。

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⛵⛵作者简介：一名双非本科大三在读的科班Java编程小白，道阻且长，星夜启程！

一、局域网

二、广域网

三、网络通信基础

一、IP地址

二、端口号

三、协议

四：协议分层

五、封装和分用

一、局域网

定义：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：

1 、基于网线直连

可以想象成是两根网线，将三台主机连接起来，就构成了一个局域网。这种组网方式很少见，原因就是非常费网线和网口。

2、基于集线器组建

使用一个集线器，将n台主机连接起来。实际应用中基本没有使用集线器组网的，相当于把一根网线给分叉了。

3、 基于交换机组建

借助交换机,就组成了一个局域网、交换机上面的网口之间都是对等的。效果就是把插在上面的设备给组建成一个局域网，这个局域网内部的主机之间就可以相互进行访问。交换机是把若千个设备给组建到一个局域网中。

4、基于交换机和路由器组建

这种的话就是咱们日常中最常见的情况。
路由器这里有两类端口：
WAN口。
LAN口。
其中插在lan口上的设备,在一个局域网里通过wan口连接到另外一个局域网。
路由器则是连接了两个局域网，LAN 口是一个,WAN 又连了一个。

实际上交换机和路由器之间的界限已经很模糊了，因为二者的功能基本是相通的。

二、广域网

定义：广域网（WAN）可以认为是比较大的局域网就组成了广域网，广域网与局域网也没有明确的界限，最大的广域网叫做Internet(因特网)。

三、网络通信基础

一、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。

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。

那么IP 地址解决了网络通信时，定位网络主机的问题，但是还存在一个问题，传输到目的主机后，由哪个进

程来接收这个数据呢？这就需要端口号来标识。

二、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，即可以理解为： 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。

注意：

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。

三、协议

这里我们需要知道在网络通信的时候,本质上传输的是：光信号和电信号。通过光信号的频率(高频率/低频率) 电信号的电平(高电平/低电平) 来表示 0和1。那么如何知道这个0和1表示啥呢？

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：比如普通话。

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，我跟我朋友说回来给我带个手抓饼，他说好的！

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。

总结：协议 最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

那么在实际应用中，协议的内容可能是非常复杂的，就像学校的校规校纪一样，有很多条，而不是一条全部涵盖了所有的规则。那么这里面就涉及到协议分层的问题了。

四：协议分层

分层的好处：

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。

类似于打电话：打电话的人(使用方)不需要关心电话的内部结构是如何实现的，只需要会使用电话即可，对于提供方来说，将电话内部的实现细节封装起来，只需要提供打电话的功能即可。

这里我们先来认识一下OSI七层模型。

OSI 七层模型

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。

每层对应的功能：

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。

那么对于我们程序员来说，我们需要打交道的是应用层，应用层以下的四层都是由操作系统和硬件设备驱动和网络接口来完成，这我们不需要太过关心。

看起来是不是有点头疼，哈哈，这也是很正常的，结合具体实例理解会更加轻松一点。

OK，那么我们来了解一下之前介绍的一些设备实现了这里的哪几层。

1、一台主机，其实就对应了物理层到应用层五层(把这五层都给实现了)。

2、一台路由器,主要就是物理层到网络层 (主要是实现了物理层,数据链路层，网络层)。

3、一台交换机，主要就是物理层到数据链路层(主要是实现了物理层,数据链路层)。

五、封装和分用

这组概念是网络分层中十分重要的，描述了不同的分层协议之间是如何相互交际的。

实例演示：

假设博主我现在需要在微信上给我的好朋友发一条消息，HELLO JAVA，当我在键盘上输入HELLO JAVA的时候，按下发送键。那么我们来观察一下各个层所干的事情。

应用层：应用程序微信

根据用户输入的内容，把数据构造成一个应用层的协议报文，即遵守了这个协议的一组数据，那么这个协议长啥样是由开发微信的程序员来约定的，不同程序中使用的应用层协议大概率是不同的，即咋们作为普通用户是不知道微信的应用协议是长啥样的。但是我们可以假设一种应用协议格式。

比如下面：这个协议格式就包括发送方A，接收方B，发送时间，发送内容。

应用层协议就调用操作系统提供的API，把应用层的数据交给传输层，即进入操作系统内核了。

传输层：(操作系统内核)

根据刚才传过来的数据，基于当前使用的传输层协议来构造储一个传输层的协议报文，其中最典型的协议比如UDP,TCP，这里以TCP为例。

这个构造TCP报文的过程可以看做是一个字符串拼接，其中TCP的报头中有很多信息，最重要的就是“源端口”和“目的端口”，可以理解为发件人和收件人的电话。接下来会把这个传输层的数据报交给网络层。

网络层：(操作系统内核)

拿到了完整的传输层数据报就会再根据当前使用的网络层协议(例如 P),再次进行封装。把 TCP 数据报构造成 IP 数据报，即还是添加上一个协议报头。

紧接着当前的网络层协议，就会把这个IP数据报交给数据链路层。

数据链路层(驱动程序)

在刚才的 IP 数据报基础上,根据当前使用的数据链路层的协议,给构造成一个数据链路层的数据报典型的数据链路层的协议，叫做“以太网”，就会构造成一个“以太网数据帧"。

帧头里面存储的信息是接下来要传给硬件设备的地址是啥。IP协议里面写的地址是我出发的起点和到达的终点，比如我现在是要从北京到上海，以太网数据帧，帧头里面写的地址是接下来相邻节点的地址，我从北京到上海中间比如要经过石家庄，合肥，我人在北京，那么这里的地址写的就是石家庄，我人在石家庄，那么这里的地址写的就是合肥。

紧接着，数据链路层又会把这个数据交给物理层。

物理层(硬件设备)

物理层干的事情就是根据刚才的以太网数据帧把这里的0/1变成高低电平，通过网线传输出去，或者变成高频/低频电磁波，通过光纤/无线传播出去。

那么到这里，数据已经离开了当前主机，前往下一个设备了。

物理层(硬件设备)

主机 B 的网卡感知到了一组高低电平，然后就会把这些电平翻译成 0 1 的一串数据。然后这一串 0 1 就是一个完整的以太网数据帧。然后物理层就把这个数据交给了数据链路层。

数据链路层(驱动)