基本网络概念

基本网络概念

网络

计算机网络概述

• 按照计算机网络的定义，通过一定的物理设备将处于不同位置的计算机连接起来组成的网络，这个网络中包含的设备有：计算机、路由器、交换机等等。

• 网络中的每台机器成为一个节点，大多数节点是计算机，但是打印机、路由器、网关、甚至可口可乐机也都是节点，例如可以用Java程序与可乐机进行交互。

• 路由器和交换机组成了核心的计算机网络，计算机只是这个网络上的节点以及控制等，通过光纤、网线等连接将设备连接起来，从而形成了一张巨大的计算机网络。

• 网络最主要的优势在于共享：共享设备和数据，现在共享设备最常见的是打印机，一个公司一般一个打印机即可，共享数据就是将大量的数据存储在一组机器中，其它的计算机通过网络访问这些数据，例如网站、银行服务器等等。

网络地址与端口

• 每个网络节点都有地址，这是用于唯一标识节点的一个字节序列，即这个就是IP地址。在计算机网络中,现在命名IP地址的规定是IPv4协议，该协议规定每个IP地址由4个0-255之间的数字组成，例如10.0.120.34。每个接入网络的计算机都拥有唯一的IP地址，这个IP地址可能是固定的，例如网络上各种各样的服务器，也可以是动态的，例如使用ADSL拨号上网的宽带用户，无论以何种方式获得或是否是固定的，每个计算机在联网以后都拥有一个唯一的合法IP地址，就像每个手机号码一样。

• 由于IP地址不容易记忆，所以为了方便记忆，有创造了另外一个概念——域名(Domain Name)，例如sohu.com等。一个IP地址可以对应多个域名，一个域名只能对应一个IP地址。域名的概念可以类比手机中的通讯簿。

• 在网络中传输的数据，全部是以IP地址作为地址标识，所以在实际传输数据以前需要将域名转换为IP地址，实现这种功能的服务器称之为DNS服务器，也就是通俗的说法叫做域名解析。例如当用户在浏览器输入域名时，浏览器首先请求DNS服务器，将域名转换为IP地址，然后将转换后的IP地址反馈给浏览器，然后再进行实际的数据传输。

• 当DNS服务器正常工作时，使用IP地址或域名都可以很方便的找到计算机网络中的某个设备，例如服务器计算机。当DNS不正常工作时，只能通过IP地址访问该设备。所以IP地址的使用要比域名通用一些。

• IP地址和域名很好的解决了在网络中找到一个计算机的问题，但是为了让一个计算机可以同时运行多个网络程序，就引入了另外一个概念——端口(port)。

• 在介绍端口的概念以前，首先来看一个例子，一般一个公司前台会有一个电话，每个员工会有一个分机，这样如果需要找到这个员工的话，需要首先拨打前台总机，然后转该分机号即可。这样减少了公司的开销，也方便了每个员工。在该示例中前台总机的电话号码就相当于IP地址，而每个员工的分机号就相当于端口。

• 有了端口的概念以后，在同一个计算机中每个程序对应唯一的端口，这样一个计算机上就可以通过端口区分发送给每个端口的数据了，换句话说，也就是一个计算机上可以并发运行多个网络程序，而不会在互相之间产生干扰。

• 在硬件上规定，端口的号码必须位于0-65535之间，每个端口唯一的对应一个网络程序，一个网络程序可以使用多个端口。

• 有了IP地址和端口的概念以后，在进行网络通讯交换时，就可以通过IP地址查找到该台计算机，然后通过端口标识这台计算机上的一个唯一的程序。这样就可以进行网络数据的交换了。

网络协议

• 网络数据交换时，只有IP地址和端口的概念还是不够的，为了让接收端理解该数据，计算机比较笨，什么都不懂的，那么就需要规定该数据的格式，这个数据的格式就是协议。协议是定于计算机如何通信的一组明确的规则，包括地址格式、数据如何分包等。

• 针对网络通讯的不同方面，定义了很多不同的协议，例如HTTP（超文本传输协议）定义了web浏览器与服务器如何进行通信，HTTP是是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。

• 更多协议举例：HTTPS协议，TCP协议等

• 关于网络编程的基础知识，就介绍这里，深刻理解IP地址、端口和协议等概念，将会极大的有助于后续知识的学习

• 在实际的网络程序编程中，最麻烦的内容不是数据的发送和接收，因为这个功能在几乎所有的程序语言中都提供了封装好的API进行调用，最麻烦的内容就是协议的设计以及协议的生产和解析，这个才是网络编程中最核心的内容。

网络的分层

• 网络分层就是将网络节点所要完成的数据的发送或转发、打包或拆包，控制信息的加载或拆出等工作，分别由不同的硬件和软件模块去完成。这样可以将往来通信和网络互连这一复杂的问题变得较为简单。

• 网络层次可划分为五层因特网协议栈（TCP/IP模型）和七层因特网协议栈（OSI模型）。

  

  我们以因特网协议栈（TCP/IP五层模型)为例：共有五层：应用层、传输层、网络层、链路层和物理层。

  

• 分层如下：

  • 应用层
    应用层位于传输层之上，主要提供两个终端设备上的应用程序之间信息交换的服务，它定义了信息交换的格式，消息会交给下一层传输层来传输。应用层协议定义了网络通信规则，对于不同的网络应用需要不同的应用层协议。在互联网中应用层协议很多，主要的协议有：http、ftp、telnet、smtp、pop3等。

    

  • 传输层

    传输层的主要任务就是负责向两台终端设备进程之间的通信提供通用的数据传输服务。 应用进程利用该服务传送应用层报文。“通用的”是指并不针对某一个特定的网络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务。

    运输层主要使用以下两种协议：

    1. 传输控制协议 TCP（Transmisson Control Protocol）--提供面向连接的，可靠的数据传输服务。

    2. 用户数据协议 UDP（User Datagram Protocol）--提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。

       

  • 网络层
    网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。 在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。在 TCP/IP 体系结构中，由于网络层使用 IP 协议，因此分组也叫 IP 数据报，简称数据报。

    负责将数据报独立地从信源发送到信宿，主要解决路由选择、拥塞控制和网络互联等问题。

    

  • 数据链路层

    数据链路层的作用是将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差错控制等）。

    负责将IP数据报封装成合适在物理网络上传输的帧格式并传输，或将从物理网络接收到的帧解封，取出IP数据报交给网络层。

  • 物理层
    物理层的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异

    负责将比特流在结点间传输，即负责物理传输。该层的协议既与链路有关也与传输介质有关。

    

• 网络不同层的协议如下图：

  

• 常用的协议默认的端口：

  协议	端口	协议类型	描述及用途
  FTP数据	20	TCP	FTP使用两个已知端口，这个端口用来传输文件
  FTP	21	TCP	这个端口用来发送FTP命令，例如put和get
  HTTP	80	TCP	国际互联网的底层协议
  HTTPS	443	TCP	由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议,比HTTP安全

当然，我们也可以在服务器上使用8080端口响应HTTP协议

网络通讯方式

• 在现有的网络中，网络通讯的方式主要有两种：
  • TCP(传输控制协议)方式
  • UDP(用户数据报协议)方式
• 为了方便理解这两种方式，还是先来看一个例子。大家使用手机时，向别人传递信息时有两种方式：拨打电话和发送短信。使用拨打电话的方式可以保证将信息传递给 别人，因为别人接听电话时本身就确认接收到了该信息。而发送短信的方式价格低廉，使用方便，但是接收人有可能接收不到。
• 在网络通讯中，TCP方式就类似于拨打电话，使用该种方式进行网络通讯时，需要建立专门的虚拟连接，然后进行可靠的数据传输，如果数据发送失败，则客户端会自动重发该数据。而UDP方式就类似于发送短信，使用这种方式进行网络通讯时，不需要建立专门的虚拟连接，传输也不是很可靠，如果发送失败则客户端无法获得。
• 这两种传输方式都是实际的网络编程中进行使用，重要的数据一般使用TCP方式进行数据传输，而大量的非核心数据则都通过UDP方式进行传递，在一些程序中甚至结合使用这两种方式进行数据的传递。
• 由于TCP需要建立专用的虚拟连接以及确认传输是否正确，所以使用TCP方式的速度稍微慢一些，而且传输时产生的数据量要比UDP稍微大一些
• TCP协议对应于传输层，而HTTP协议对应于应用层，从本质上来说，二者没有可比性。Http协议是建立在TCP协议基础之上的。更多协议相关的详见后面的网络课程。

客户端/服务端模型

• 大多数现代网络编程都基于客户端/服务端模型。
• 网络通讯基于“请求-响应”模型。在网络通讯中，第一次主动发起通讯的程序被称作客户端(Client)程序，简称客户端，而在第一次通讯中等待连接的程序被称作服务器端(Server)程序，简称服务器。一旦通讯建立，则客户端和服务器端完全一样，没有本质的区别。
• 由此，网络编程中的两种程序就分别是客户端和服务器端，例如QQ程序，每个QQ用户安装的都是QQ客户端程序，而QQ服务器端程序则运行在腾讯公司的机房中，为大量的QQ用户提供服务。这种网络编程的结构被称作客户端/服务器结构，也叫做Client/Server结构，简称C/S结构。
• 使用C/S结 构的程序，在开发时需要分别开发客户端和服务器端，这种结构的优势在于由于客户端是专门开发的，所以根据需要实现各种效果，专业点说就是表现力丰富，而服务器端也需要专门进行开发。但是这种结构也存在着很多不足，例如通用性差，几乎不能通用等，也就是说一种程序的客户端只能和对应的服务器端通讯，而不能和 其它服务器端通讯，在实际维护时，也需要维护专门的客户端和服务器端，维护的压力比较大。
• 其实在运行很多程序时，没有必要使用专用的客户端，而需要使用通用的客户端，例如浏览器，使用浏览器作为客户端的结构被称作浏览器/服务器结构，也叫做Browser/Server结构，简称为B/S结构。
• 使用B/S结构的程序，在开发时只需要开发服务器端即可，这种结构的优势在于开发的压力比较小，不需要维护客户端。但是这种结构也存在着很多不足，例如浏览器的限制比较大，表现力不强，无法进行系统级操作等。
• 总之C/S结构和B/S结构是现在网络编程中常见的两种结构，B/S结构其实也就是一种特殊的C/S结构。
• 另外简单的介绍一下P2P(Point to Point)程序，常见的如BT、电驴等。P2P程序是一种特殊的程序，应该一个P2P程序中既包含客户端程序，也包含服务器端程序，例如BT，使用客户端程序部分连接其它的种子(服务器端)，而使用服务器端向其它的BT客户端传输数据。如果这个还不是很清楚，其实P2P程序和手机是一样的，当手机拨打电话时就是使用客户端的作用，而手机处于待机状态时，可以接收到其它用户拨打的电话则起的就是服务器端的功能，只是一般的手机不能同时使用拨打电话和接听电话的功能，而P2P程序实现了该功能。