JavaEE 第17节网络通信知识扫盲

文章目录

前言
一、网络通信的概念
二、局域网&广域网
- 局域网（LAN，Local Area Network）
- 广域网
三、IP地址与端口号
- 1、IP地址
- 2、端口号
四、网络协议
- 1、概念&作用
- 2、协议分层（重要）

前言

此篇博客用于讲解网络编程中基础、必要的知识，所以即使是小白相信认真看也是能懂的。
文中涉及的一些概念、专有名词也不用深究具体的实现方式，了解大体的运作流程即可。

一、网络通信的概念

网络互联的目的就是不同设备之间实现信息的相互连接。
网络通信就是两个或者多个计算机之间实现数据传输。更具体一点就是不同设备的进程之间的数据传输交互。
网络通信是一个复杂的过程，涉及计算机、路由器、交换机等网络设备之间的数据交换，同时还依赖于网络协议确保数据正确的传输和接收。
网络通信的核心目标是将信息从一个设备传输到另一个设备，并且保证信息的完整和准确。

概念理解图：
在这里插入图片描述

二、局域网&广域网

根据网络互联的规模大小，网络可以分为局域网和广域网。

局域网（LAN，Local Area Network）

local意为本地的网络，它的覆盖范围比较有限，可以是一栋建筑或者特定的区域。搭建的局域网内部的计算机之间可以进行网络通信，但是局域网和局域网之间如果没有建立连接就无法实现通信。如果局域网只允许内部成员访问，那么也可以称它为内网。
比如说图书馆的WIFI以及校园网等。

局域网组件网络的方式有很多：
（1）主机直连：
在这里插入图片描述
（2）集线器搭建：

（3）交换机搭建：
在这里插入图片描述
（4）交换机和路由器共同组建：

广域网

广域网（Wide Area Network，WAN）， 通过路由器，把多个局域网连接到一起，形成一个物理范围较广的网络，内部的每一个局域网，都是它的子网。
示意图：
在这里插入图片描述

注意：局域网&广域网是相对的概念

三、IP地址与端口号

在使用网络进行数据传输的时候，仅仅传输数据是远远不够的。
举个例子：

我要给我的女神寄七夕节礼物。礼物准备好了，但是这还不够啊。你得填写收件人的地址（IP地址），以及她的联系电话（端口号），这样快递小哥才能知道这礼物具体该送到你的那个女神。

在网络通信中也是同样的道理，在数据传输时，IP地址和端口号是必不可少的。

1、IP地址

概念：
IP地址是表示网络设备的唯一网络地址。
每个连接到网络的设备（电脑、手机路、由器等）都需要一个IP地址，以便进行网络通信。
作用：
IP地址是网络通信的基础，负责标识和定位网络设备。
注意：这里指的定位主要强调的是其他设备可以通过IP地址正确的把数据包传输给目标设备。
类型：
- IPv4地址：
  - 说明：这种地址用32位二进制数来表示。是当前主流传统使用的IP地址类型，随着互联网的发展，它所能提供的唯一地址数量已经接近耗尽了。
  - 格式：通常用十进制来表示，而不是二进制(方便程序员观察)。由4个十进制的数字组成，每个数字范围在0到255。并且数字与数字之间用(.)隔开。例如：192.168.1.1
- IPv6地址：
  - 说明：IPv6是后来引入的地址类型，相比于IPv4，它可以提供接近无限的IP地址数量，另外它还有一些新的优化，比如更简化的地址配置、更高的安全性等。
  - 格式：由8组十六进制数组成，每一组数字用冒号(:)隔开。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:73341

2、端口号

概念&作用：
端口号和IP地址的功能是类似的同样起到标识和定位作用，不过它的应用对象更为具体：它用于区分一个设备中不同网络服务或应用程序（进程）。
端口号的IP地址组合使用，才能够确保数据包能够正确传输到目标设备上的指定网络服务或应用程序。
端口号范围： 范围在0到65535。
分类：
- 知名端口（Well-Known Ports，0-1023）：这些端口由互联网号码分配局（IANA）分配给常见的网络服务和协议。
- 注册端口（Registered Ports，1024-49151）：这些端口用于用户或组织注册的特定服务或应用程序，通常用于非标准的网络服务。
- 动态或私有端口（Dynamic or Private Ports，49152-65535）：通常用于客户端应用程序动态分配的端口，用于临时通信。

注意：同一个协议中，一个端口只能被一个进程绑定！

四、网络协议

1、概念&作用

设备与设备之间要想建立联系，必须有一套统一的连接标准，才能实现通信。网络协议就是用于指定计算机网络中传输数据的规则和标准的。
网络协议确保不同的设备都能以一致的方式进行通信，形成一个全球互联的网络系统。
例如TCP/IP、UDP、HTTP/HTTPS等都是开放标准，由国际组织如IETF和ISO）或业界组织（如W3C）制定。

2、协议分层（重要）

1. 概念
协议分层是指把网络通信这一个复杂而庞大功能拆分成较为细小的层次结构（模块），通过上下相邻层次进行交互与配合实现网络通信。

2. 作用

降低复杂度： 网络通信是一个及其复杂的过程，涉及到数据的传输、路由、错误检测、加密等环节。通过分层处理，可以把复杂的过程分解成较小、易管理的部分。
解耦合： 分层模型是的网络协议的涉及更加模块化。每一层都是相对独立的模块，可以进行独立开发、测试维护、或者替换。
故障排查： 在这种协议分层模型中，每一层都有各自的功能和职责。当网络出现问题，可以逐层排除，快速确定问题所在。

3.常见的两种分层模型

OSI七层网络模型： OSI（Open Systems Interconnection，开放系统互联）模型是由国际标准化组织（ISO）制定的一个网络分层模型。这种模型更偏向理论，适合于教学研究。(此模型了解即可)
- 应用层 (Application Layer): 直接与用户交互的层，负责提供网络服务给应用程序，如HTTP、FTP、SMTP等。
- 表示层 (Presentation Layer): 负责数据的格式化、加密和解密，确保发送和接收方能够理解数据格式。
- 会话层 (Session Layer): 负责建立、管理和终止通信会话，控制对话的顺序和同步。
- 传输层 (Transport Layer): 提供端到端的通信控制，确保数据可靠传输。常见协议有TCP和UDP。
- 网络层 (Network Layer): 负责逻辑地址的管理和路由选择，将数据包传输到目的地。常见协议是IP。
- 数据链路层 (Data Link Layer): 负责物理地址的传输（如MAC地址）和错误检测。主要协议有以太网、PPP等。
- 物理层 (Physical Layer): 负责比特流的物理传输，包括网线、电缆、光纤和无线电波的传输介质。
TCP/IP模型： 相比于OSI模型，TCP/IP（传输控制协议/网际协议，Transmission Control Protocol/Internet Protocol）五层模型更为简化、实用。因此这个模型的使用是非常广泛的。
- 应用层：用于处理应用程序的数据，提供用户和网络之间的接口。常见包括HTTP、FTP、SMTP、DNS等。
- 传输层 ：只关注网络通信的起点和终点，不关心具体实现细节。提供端到端通信服务，负责数据分段、传输与重组。主要协议有TCP、UDP等。
- 网络层：用于规划网络通信的路线，并且还需要负责逻辑地址管理。主要协议是IP（网际协议）。
- 数据链路层：根据规划好的通信路线，进行具体的实施，也就是负责把数据帧传输到物理网络上。另外还要负责错误检查和纠正。
- 物理层：负责数据的实际传输，如光缆、光纤、无线信号等物理介质的比特流传输。

注意：有时候TCP/IP也描述成四层模型，区别在于把数据链路层和物理层的功能合并到一起，形成网络接口层（也叫链路层）。

4. 数据传输过程示例
假设小明要用微信给小红发一句短信“hello world”，以TCP/IP网络协议分层模型为例，数据的网络传输过程：

应用层：
微信程序会把发送的内容以及两人用户账号信息等结构化数据¹，序列化成"二进制"字符串形式的应用程数据包。然后调用传输层API，把数据给到传输层处理。

在这里插入图片描述

传输层(假定使用UDP协议)：
传输层拿到应用层数据包后，会再次对数据包进行封装²。

网络层（假定使用IP协议）：
网络层的加工新式和传输层类似，把IP协议相关内容封装到数据包中，构成网络层数据包。
数据链路层（假定使用以太网）：
数据链路层的封装方式也是类似的，不过这一层会在数据包的头尾都添加数据。
物理层：
在物理层，会把这些数据转化成光信号或者电信号，在物理空间上，把数据传输到需要的设备上，也就是小红的手机。
最后，小红的手机会逆向重复上述层级过程，把数据解析出来，发送到小红的手机上。