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12.1 基本概念


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      如今,计算机已经成为人们学习、工作、生活必不可少的工具。我们利用计算机可以和亲朋好友网上聊天,也可以玩网游、发邮件等等,这些功能实现都离不开计算机网络。计算机网络实现了不同计算机之间的通信,这必须依靠编写网络程序来实现。下面,我们将教大家如何编写网络程序。

      在学习编程之前,我们首先要了解关于网络通信的一些概念。

▪ 什么是计算机网络?

      计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备,通过通信线路连接起来,在网络操作系统,网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下,实现资源共享和信息传递的计算机系统。

      从其中我们可以提取到以下内容:

      1. 计算机网络的作用:资源共享和信息传递。

      2. 计算机网络的组成:

         a) 计算机硬件:计算机(大中小型服务器,台式机、笔记本等)、外部设备(路由器、交换机等)、通信线路(双绞线、光纤等)。

          b) 计算机软件:网络操作系统(Windows 2000 Server/Advance Server、Unix、Linux等)、网络管理软件(WorkWin、SugarNMS等)、网络通信协议(如TCP/IP协议栈等)。

      3. 计算机网络的多台计算机是具有独立功能的,而不是脱离网络就无法存在的。

▪ 什么是网络通信协议?

      通过计算机网络可以实现不同计算机之间的连接与通信,但是计算机网络中实现通信必须有一些约定即通信协议,对速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等制定标准。就像两个人想要顺利沟通就必须使用同一种语言一样,如果一个人只懂英语而另外一个人只懂中文,这样就会造成没有共同语言而无法沟通。

      国际标准化组织(ISO,即International Organization for Standardization)定义了网络通信协议的基本框架,被称为OSI(Open System Interconnect,即开放系统互联)模型。要制定通讯规则,内容会很多,比如要考虑A电脑如何找到B电脑,A电脑在发送信息给B电脑时是否需要B电脑进行反馈,A电脑传送给B电脑的数据格式又是怎样的?内容太多太杂,所以OSI模型将这些通讯标准进行层次划分,每一层次解决一个类别的问题,这样就使得标准的制定没那么复杂。OSI模型制定的七层标准模型,分别是:应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层。

      OSI七层协议模型如图12-1所示:

图12-1 七层协议模型.png

图12-1 七层协议模型

      虽然国际标准化组织制定了这样一个网络通信协议的模型,但是实际上互联网通讯使用最多的网络通信协议是TCP/IP网络通信协议。

      TCP/IP 是一个协议族,也是按照层次划分,共四层:应用层,传输层,互连网络层,网络接口层(物理+数据链路层)。

      那么TCP/IP协议和OSI模型有什么区别呢?OSI网络通信协议模型,是一个参考模型,而TCP/IP协议是事实上的标准。TCP/IP协议参考了OSI 模型,但是并没有严格按照OSI规定的七层标准去划分,而只划分了四层,这样会更简单点,当划分太多层次时,你很难区分某个协议是属于哪个层次的。TCP/IP协议和OSI模型也并不冲突,TCP/IP协议中的应用层协议,就对应于OSI中的应用层,表示层,会话层。就像以前有工业部和信息产业部,现在实行大部制后只有工业和信息化部一个部门,但是这个部门还是要做以前两个部门一样多的事情,本质上没有多大的差别。TCP/IP中有两个重要的协议,传输层的TCP协议和互连网络层的IP协议,因此就拿这两个协议做代表,来命名整个协议族了,再说TCP/IP协议时,是指整个协议族。

▪ 网络协议的分层

      由于网络结点之间联系很复杂,在制定协议时,把复杂成份分解成一些简单的成份,再将它们复合起来。最常用的复合方式是层次方式,即同层间可以通信、上一层可以调用下一层,而与再下一层不发生关系。

      把用户应用程序作为最高层,把物理通信线路作为最低层,将其间的协议处理分为若干层,规定每层处理的任务,也规定每层的接口标准。

      ISO模型与TCP/IP模型的对应关系如图12-2所示。

图12-2 开放系统互连参考模型与TCPIP参考模型对比.png

图12-2 开放系统互连参考模型与TCP/IP参考模型对比

▪ 数据封装与解封:

      由于用户传输的数据一般都比较大,有的可以达到MB字节,一次性发送出去十分困难,于是就需要把数据分成许多片段,再按照一定的次序发送出去。这个过程就需要对数据进行封装。

      数据封装(Data Encapsulation)是指将协议数据单元(PDU)封装在一组协议头和协议尾中的过程。在OSI七层参考模型中,每层主要负责与其它机器上的对等层进行通信。该过程是在协议数据单元(PDU)中实现的,其中每层的PDU一般由本层的协议头、协议尾和数据封装构成。

      1.数据发送处理过程

        (1)应用层将数据交给传输层,传输层添加上TCP的控制信息(称为TCP头部),这个数据单元称为段(Segment),加入控制信息的过程称为封装。然后,将段交给网络层。

        (2)网络层接收到段,再添加上IP头部,这个数据单元称为包(Packet)。然后,将包交给数据链路层。

        (3) 数据链路层接收到包,再添加上MAC头部和尾部,这个数据单元称为帧(Frame)。然后,将帧交给物理层。

        (4)物理层将接收到的数据转化为比特流,然后在网线中传送。

      2.数据接收处理过程

        (1)物理层接收到比特流,经过处理后将数据交给数据链路层。

        (2)数据链路层将接收到的数据转化为数据帧,再除去MAC头部和尾部,这个除去控制信息的过程称为解封,然后将包交给网络层。

        (3)网络层接收到包,再除去IP头部,然后将段交给传输层。

        (4)传输层接收到段,再除去TCP头部,然后将数据交给应用层。

      从以上传输过程中,可以总结出以下规则:

        (1)发送方数据处理的方式是从高层到底层,逐层进行数据封装。

        (2)接收方数据处理的方式是从底层到高层,逐层进行数据解封装。

      接收方的每一层只把对该层有意义的数据拿走,或者说每一层只能处理发送方同等层的数据,然后把其余的部分传递给上一层,这就是对等层通信的概念。

      数据封装与解封如图12-3和图12-4所示:

图12-3 数据封装.png

图12-3 数据封装

图12-4 数据解封.png

图12-4 数据解封

▪ IP地址:

      用来标识网络中的一个通信实体的地址。通信实体可以是计算机、路由器等。 比如互联网的每个服务器都要有自己的IP地址,而每个局域网的计算机要通信也要配置IP地址。路由器是连接两个或多个网络的网络设备。

      目前主流使用的IP地址是IPV4,但是随着网络规模的不断扩大,IPV4面临着枯竭的危险,所以推出了IPV6。

      IPV4:32位地址,并以8位为一个单位,分成四部分,以点分十进制表示,如192.168.0.1。因为8位二进制的计数范围是00000000---11111111,对应十进制的0-255,所以-4.278.4.1是错误的IPV4地址。

      IPV6:128位(16个字节)写成8个16位的无符号整数,每个整数用四个十六进制位表示,每个数之间用冒号(:)分开,如:3ffe:3201:1401:1280:c8ff:fe4d:db39:1984

注意事项

      1. 127.0.0.1 本机地址

      2. 192.168.0.0--192.168.255.255为私有地址,属于非注册地址,专门为组织机构内部使用。

▪ 端口:

      IP地址用来标识一台计算机,但是一台计算机上可能提供多种网络应用程序,如何来区分这些不同的程序呢?这就要用到端口。

      端口是虚拟的概念,并不是说在主机上真的有若干个端口。通过端口,可以在一个主机上运行多个网络应用程序。 端口的表示是一个16位的二进制整数,对应十进制的0-65535。

      Oracle、MySQL、Tomcat、QQ、msn、迅雷、电驴、360等网络程序都有自己的端口。

总结

      1. IP地址好比每个人的地址(门牌号),端口好比是房间号。必须同时指定IP地址和端口号才能够正确的发送数据。

      2. IP地址好比为电话号码,而端口号就好比为分机号。

▪ URL:

      在www上,每一信息资源都有统一且唯一的地址,该地址就叫URL(Uniform Resource Locator),它是www的统一资源定位符。URL由4部分组成:协议 、存放资源的主机域名、资源文件名和端口号。如果未指定该端口号,则使用协议默认的端口。例如http 协议的默认端口为 80。 在浏览器中访问网页时,地址栏显示的地址就是URL。

      在java.net包中提供了URL类,该类封装了大量复杂的涉及从远程站点获取信息的细节。

▪ Socket:

      我们开发的网络应用程序位于应用层,TCP和UDP属于传输层协议,在应用层如何使用传输层的服务呢?在应用层和传输层之间,则是使用套接Socket来进行分离。

      套接字就像是传输层为应用层开的一个小口,应用程序通过这个小口向远程发送数据,或者接收远程发来的数据;而这个小口以内,也就是数据进入这个口之后,或者数据从这个口出来之前,是不知道也不需要知道的,也不会关心它如何传输,这属于网络其它层次工作。

      Socket实际是传输层供给应用层的编程接口。Socket就是应用层与传输层之间的桥梁。使用Socket编程可以开发客户机和服务器应用程序,可以在本地网络上进行通信,也可通过Internet在全球范围内通信。

图12-5 Socket的作用.png

图12-5 Socket的作用

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