网络初识

作者: 耐得千事烦 | 来源:发表于2019-08-23 13:40 被阅读0次

前言

之前对于网络这块的知识一直是零零散散的，这次抽空好好的做个总结。

先给出OSI的7层网络模型与TCP/IP四层模型以及对应的网络协议

网络分层以及对应的协议.png

先说OSI七层网络模型：

物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由 1、0 转化为电流强弱来进行传输,到达目的地后在转化为1、0，也就是我们常说的模数转换与数模转换）。这一层的数据叫做比特。
数据链路层：主要将从物理层接收的数据进行 MAC 地址（网卡的地址）的封装与解封装。常把这一层的数据叫做帧。在这一层工作的设备是交换机，数据通过交换机来传输。
网络层：主要将从下层接收到的数据进行 IP 地址（例 192.168.0.1)的封装与解封装。在这一层工作的设备是路由器，常把这一层的数据叫做数据包。
传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW 端口 80 等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与 TCP 特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如 QQ 聊天数据就是通过这种方式传输的）。主要是将从下层接收的数据进行分段进行传输，到达目的地址后在进行重组。常常把这一层数据叫做段。
会话层：通过传输层（端口号：传输端口与接收端口）建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是 IP 也可以是 MAC 或者是主机名）
表示层：主要是进行对接收的数据进行解释、加密与解密、压缩与解压缩等（也就是把计算机能够识别的东西转换成人能够能识别的东西（如图片、声音等））
应用层主要是一些终端的应用，比如说FTP（各种文件下载），WEB（IE浏览），QQ之类的（你就把它理解成我们在电脑屏幕上可以看到的东西．就是终端应用）。

再以TCP/IP分层模型来说：

数据链路层(Network Access Layer)在 TCP/IP 参考模型中并没有详细描述，只是指出主机必须使用某种协议与网络相连。
网络层(Internet Layer)是整个体系结构的关键部分，其功能是使主机可以把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标。这些分组可能经由不同的网络，到达的顺序和发送的顺序也可能不同。高层如果需要顺序收发，那么就必须自行处理对分组的排序。互联网层使用因特网协议(IP，Internet Protocol)。
传输层(Tramsport Layer)使源端和目的端机器上的对等实体可以进行会话。在这一层定义了两个端到端的协议：传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol)和用户数据报协议(UDP，User Datagram Protocol)。TCP 是面向连接的协议，它提供可靠的报文传输和对上层应用的连接服务。为此，除了基本的数据传输外，它还有可靠性保证、流量控制、多路复用、优先权和安全性控制等功能。UDP 是面向无连接的不可靠传输的协议，主要用于不需要 TCP 的排序和流量控制等功能的应用程序。
应用层(Application Layer)包含所有的高层协议，包括：虚拟终端协议(TELNET，TELecommunications NETwork)、文件传输协议(FTP，File Transfer Protocol)、电子邮件传输协议(SMTP，Simple Mail Transfer Protocol)、域名服务(DNS，Domain Name 13/04/2018 Page 161 of 283 Service)、网上新闻传输协议(NNTP，Net News Transfer Protocol)和超文本传送协议(HTTP，HyperText Transfer Protocol)等。

TCP与UDP的区别

TCP	UDP
面向连接	无连接
可靠，保证顺序，不会丢包	不可靠，不保证顺序，会丢包
需要资源多，效率低，速度慢	需要资源少，效率高，速度快
只支持点对点通信	支持一对一、一对多、多对一、多对多的通信模式
是面向字节流的	UDP是面向报文的
有拥塞控制机制	没有拥塞控制，适合媒体通信

TCP的报文格式

TCP报文结构.png

端口号：识别同一台计算机里的不同程序进程，TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。
序号和确认号：TCP可以可靠传输的关键部分。序号是本报文发送数据组的第一个字节的序号，在TCP传输的流中每一个字节就是一个序号。eg.一个报文段的序号为300，此报文段数据部分共有100字节，则下一个报文段的序号为400。所以序号确保了TCP传输的有序性。 确认号，即ACK，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时，SYN报文的ACK标志位为0。
数据偏移／首部长度：4bits。由于首部可能含有可选项内容，因此TCP报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为20字节，4位首部长度字段所能表示的最大值为1111，转化为10进制为15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。
保留：为将来定义新的用途保留，现在一般置0。
控制位：URG ACK PSH RST SYN FIN，共6个，每一个标志位表示一个控制功能。
1）URG：紧急指针标志，为1时表示紧急指针有效，为0则忽略紧急指针。
2）ACK：确认序号标志，为1时表示确认号有效，为0表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段。
3）PSH：push标志，为1表示是带有push标志的数据，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队。
4）RST：重置连接标志，用于重置由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。或者用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
5）SYN：同步序号，用于建立连接过程，在连接请求中，SYN=1和ACK=0表示该数据段没有使用捎带的确认域，而连接应答捎带一个确认，即SYN=1和ACK=1。
6）FIN：finish标志，用于释放连接，为1时表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。
窗口滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小时一个16bit字段，因而窗口大小最大为65535。
校验和：奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
紧急指针：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
选项和填充：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。
数据部分： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

TCP的三次握手与四次挥手过程，各个状态名称与含义

三次握手.png

三次握手(我要和你建立链接，你真的要和我建立链接么，我真的要和你建立链接，成功)

第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

四次挥手
这是由于 TCP 的半关闭造成的。因为 TCP 连接是全双工的(即数据可在两个方向上同时传递)所以进行关闭时每个方向上都要单独进行关闭。这个单方向的关闭就叫半关闭。当一方完成它的数据发送任务，就发送一个 FIN 来向另一方通告将要终止这个方向的连接。
四次挥手.png

第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。

第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。此时TCP链接处于半关闭状态，即客户端已经没有要发送的数据了，但服务端若发送数据，则客户端仍要接收。

第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。

第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

为什么TCP链接需要三次握手，两次不可以么，为什么？

为了防止已失效的链接请求报文突然又传送到了服务端，因而产生错误。

客户端发出的连接请求报文并未丢失，而是在某个网络节点长时间滞留了，以致延误到链接释放以后的某个时间才到达Server。这是，Server误以为这是Client发出的一个新的链接请求，于是就向客户端发送确认数据包，同意建立链接。若不采用“三次握手”，那么只要Server发出确认数据包，新的链接就建立了。由于client此时并未发出建立链接的请求，所以其不会理睬Server的确认，也不与Server通信；而这时Server一直在等待Client的请求，这样Server就白白浪费了一定的资源。若采用“三次握手”，在这种情况下，由于Server端没有收到来自客户端的确认，则就会知道Client并没有要求建立请求，就不会建立链接。

TCP协议如何来保证传输的可靠性

数据包校验：目的是检测数据在传输过程中的任何变化，若校验出包有错，则丢弃报文段并且不给出响应，这时TCP发送数据端超时后会重发数据；
对失序数据包重排序：既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。TCP将对失序数据进行重新排序，然后才交给应用层；
丢弃重复数据：对于重复数据，能够丢弃重复数据；
应答机制：当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒；
超时重发：当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段；
流量控制：TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，这可以防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出，这就是流量控制。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

TCP的拥塞处理

从输入网址到获得页面的过程

(1). 浏览器查询 DNS，获取域名对应的IP地址:具体过程包括浏览器搜索自身的DNS缓存、搜索操作系统的DNS缓存、读取本地的Host文件和向本地DNS服务器进行查询等。对于向本地DNS服务器进行查询，如果要查询的域名包含在本地配置区域资源中，则返回解析结果给客户机，完成域名解析(此解析具有权威性)；如果要查询的域名不由本地DNS服务器区域解析，但该服务器已缓存了此网址映射关系，则调用这个IP地址映射，完成域名解析（此解析不具有权威性）。如果本地域名服务器并未缓存该网址映射关系，那么将根据其设置发起递归查询或者迭代查询；

(2). 浏览器获得域名对应的IP地址以后，浏览器向服务器请求建立链接，发起三次握手；

(3). TCP/IP链接建立起来后，浏览器向服务器发送HTTP请求；

(4). 服务器接收到这个请求，并根据路径参数映射到特定的请求处理器进行处理，并将处理结果及相应的视图返回给浏览器；

(5). 浏览器解析并渲染视图，若遇到对js文件、css文件及图片等静态资源的引用，则重复上述步骤并向服务器请求这些资源；

(6). 浏览器根据其请求到的资源、数据渲染页面，最终向用户呈现一个完整的页面。

Http怎么处理长连接

在HTTP1.0和HTTP1.1协议中都有对长连接的支持。其中HTTP1.0需要在request中增加Connection： keep-alive header才能够支持，而HTTP1.1默认支持。

C/S模式下使用socket通信，几个关键函数

编写一个基于UDP传输协议的网络编程：
先构建服务端

package com.suxin.socket.udp;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;

public class Mysever {

    /**
     *  1.创建服务端+端口
     *  2.准备接受容器
     *  3.封装成包
     *  4.接收数据
     *  5.分析数据
     *  6.释放资源
     *
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务端以及端口
        DatagramSocket server = new DatagramSocket(8899);
        // 构造接收器
        byte[] container = new byte[1024];
        // 使用构造器打包
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(container,container.length);
        boolean flag = true;
        while(flag) {
            server.receive(packet);//接受数据
            byte[] bytes = packet.getData();
            int len = packet.getLength();
            String s = new String(bytes,0,len);
            System.out.println(s);
            if(s.equals("quit server")) {
                flag = false;
            }
        }
        server.close();
    }
}

继续构建客户端：

package com.suxin.socket.udp;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.util.Scanner;

public class Myclient {
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建服务端以及端口
        DatagramSocket client = new DatagramSocket(6666);
        //准备数据
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        boolean flag = true;
        while(flag) {
            System.out.println("请输入传输数据(以enter结束)：");
            String message = sc.nextLine();
            byte[] b = message.getBytes();
            //打包发送
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(b,b.length,new InetSocketAddress("127.0.0.1",8899));
            client.send(packet);
            System.out.println("数据:"+message+"已经发送");
            if(message.equals("close")) {
                flag = false;
            }
        }
        client.close();
    }
}

如果我们关闭服务端，运行客户端，依然可以成功。但是此时并没有消息显示。说明即使在服务端不开启的情况下，基于这种协议的依然可以执行，但是数据会丢失。注意：数据传输的过程中，必须使用字节数组。输入quit server以后还是可以继续发送消息的。

编写一个基于TCP协议的网络编程：
服务端：

package com.suxin.socket.tcp;

import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class MyServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket server = new ServerSocket(8899);

        Socket socket = server.accept();//等待接受外部请求
        System.out.println("客户端建立连接");
        String message = "欢迎使用";
        
        DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
        dataOutputStream.writeUTF(message);

        dataOutputStream.flush();
    }
}

客户端：

package com.suxin.socket.tcp;

import java.io.DataInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.Socket;

public class MyClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8899);
        DataInputStream input=new DataInputStream(socket.getInputStream());
        String echo = input.readUTF();
        System.out.println(echo);
        DataOutputStream output = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
        output.writeUTF("i love u");
        System.out.println("[i love u]数据已经发送");
    }
}

以上就是UDP/IP与TCP/IP的基本实现。但是，我们知道，TCP/Ip的实现仅仅是实现了一个客户端的连接，这是不符合实际的，实际情况下服务器一般都是有多个客户端的连接。这也很好解决，我们只需要在服务器端加一个循环，对于每一次来自客户端的请求，服务器端的Accept（）方法都会返回一个Socket对象，这样就实现了多个连接。

参考链接
UDP/IP与TCP/IP协议带编程解读
 网络相关的面试题
 面试/笔试第一弹 —— 计算机网络面试问题集锦
 3分钟看懂什么是三次握手/四次挥手
 java socket编程

网络初识

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TCP与UDP的区别

TCP的报文格式

TCP的三次握手与四次挥手过程，各个状态名称与含义

为什么TCP链接需要三次握手，两次不可以么，为什么？

TCP协议如何来保证传输的可靠性

TCP的拥塞处理

从输入网址到获得页面的过程

Http怎么处理长连接

C/S模式下使用socket通信，几个关键函数

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