网络编程之网络通信

合集 - 网络编程炒饭(8)
1.网络编程之网络架构及其趋势
2.网络编程之网络通信
3.网络编程之TCP协议的三次握手和四次挥手4.网络编程之Socket抽象层5.网络编程之基于TCP协议的socket套接字编程6.网络编程之基于UDP协议的socket套接字编程7.网络编程之粘包问题8.网络通信补充
收起

网络编程

网络编程的概念

1. 地球村
随着广播、电视、互联网的出现，随着各种现代交通方式的飞速发展，人与人之间的时空距离骤然缩短，整个世界紧缩成一个“村落”。
地球村也译为世界村(global village)，对地球的一种比喻说法。现代科技的迅速发展，缩小了地球上的时空距离，国际交往日益频繁便利，因而整个地球就如同是茫茫宇宙中的一个小村落。
 
2. 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。
计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
 
3. 数据通信
是计算机网络的最主要的功能之一。数据通信是依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。它可实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递，是继电报、电话业务之后的第三种最大的通信业务。数据通信中传递的信息均以二进制数据形式来表现，数据通信的另一个特点是总是与远程信息处理相联系，是包括科学计算、过程控制、信息检索等内容的广义的信息处理。

网络编程从大的方面说就是对信息的发送到接收，中间传输为物理线路的作用。

网络编程最主要的工作就是在发送端把信息通过规定好的协议进行组装包，在接收端按照规定好的协议把包进行解析，从而提取出对应的信息，达到通信的目的。中间最主要的就是数据包的组装，数据包的过滤，数据包的捕获，数据包的分析，当然最后再做一些处理，代码、开发工具、数据库、服务器架设和网页设计这5部分你都要接触。

网络编程的目的

直接或间接地通过网络协议与其它计算机实现数据交换，进行通讯。

学习网络编程的目的/结果

  • 学习网络编程的主要目的是为了开发基于客户端/服务器（C/S）架构的应用程序。

  • 这种类型的软件通常由两部分组成：客户端（运行在用户的设备上）和服务器（运行在一台或多台服务器上）。

  • 通过学习网络编程，你可以掌握开发C/S应用程序所需的基本原理和技术，并使用各种编程框架来简化开发过程。

  • 总结：学习完网络编程之后就可以开发C/S架构的软件(掌握原理 使用框架)

网络编程中的两个要素

  • 通信双方的地址：IP 和 端口号
  • 提供网络通信协议：TCP/IP参考模型（应用层、传输层、网络层、物理+数据链路层）

IP 地址

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

IP协议中还有一个非常重要的内容，那就是给因特网上的每台计算机和其它设备都规定了一个唯一的地址，叫做“IP地址”。由于有这种唯一的地址，才保证了用户在连网的计算机上操作时，能够高效而且方便地从千千万万台计算机中选出自己所需的对象来。

IP 地址类型

​ https://baike.baidu.com/item/IP地址

公有地址

公有地址（Public address）由Inter NIC（Internet Network Information Center因特网信息中心）负责。这些IP地址分配给注册并向Inter NIC提出申请的组织机构。通过它直接访问因特网。

私有地址

私有地址（Private address）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。

以下列出留用的内部私有地址：

类别 最大网络数 IP地址范围 单个网段最大主机数 私有IP地址范围
A 126(2^7-2) 1.0.0.1-127.255.255.254 16777214 10.0.0.0-10.255.255.255
B 16384(2^14) 128.0.0.1-191.255.255.254 65534 172.16.0.0-172.31.255.255
C 2097152(2^21) 192.0.0.1-223.255.255.254 254 192.168.0.0-192.168.255.255

IPv4

网际协议版本4（英语：Internet Protocol version 4，IPv4），又称互联网通信协议第四版，是网际协议开发过程中的第四个修订版本，也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心，也是使用最广泛的网际协议版本，其后继版本为IPv6，直到2011年，IANA IPv4位址完全用尽时，IPv6仍处在部署的初期。

环回地址：127.0.0.1，指本地机，一般用来测试使用。对于大多数习惯用localhost的来说，实质上就是指向127.0.0.1这个本地IP地址。在操作系统中有个配置文件（windows中路径为 C:\WINDOWS\system32\drivers\etc\hosts，Unix/Linux路径为 /etc/hosts ）将localhost与127.0.0.1绑定在了一起。

IPv6

IPv6是英文“Internet Protocol Version 6”（互联网协议第6版）的缩写，是互联网工程任务组（IETF）设计的用于替代IPv4的下一代IP协议，其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址。

IPv6的地址长度为128位（8个无符号整数），是IPv4地址长度的4倍。

端口号

所谓的端口，就好像是门牌号一样，客户端可以通过ip地址找到对应的服务器端，但是服务器端是有很多端口的，每个应用程序对应一个端口号，通过类似门牌号的端口号，客户端才能真正的访问到该服务器。为了对端口进行区分，将每个端口进行了编号，这就是端口号。

在网络技术中，端口包括逻辑端口和物理端口两种类型。物理端口是用于连接物理设备之间的接口，如ADSL Modem、集线器、交换机、路由器上用于连接其他网络设备的接口，如RJ-45端口、SC端口等等。逻辑端口是指逻辑意义上用于区分服务的端口，比如用于浏览网页服务的80端口，用于FTP服务的21端口等。如TCP/IP协议中的服务端口，通过不同的逻辑端口来区分不同的服务。一个IP地址的端口通过16bit进行编号，最多可以有65536个端口 。端口是通过端口号来标记的，端口号只有整数，范围是从0 到65535。

端口号分类

公认端口

从0到1023，它们紧密绑定（binding）于一些服务，已被占用。通常这些端口的通讯明确表明了某种服务的协议。例如：80端口实际上总是HTTP通讯。

注册端口

从1024到49151。它们松散地绑定于一些服务。也就是说有许多服务绑定于这些端口，这些端口同样用于许多其它目的。例如：许多系统处理动态端口从1024左右开始。

动态和/或私有端口

从49152到65535。理论上，不应为服务分配这些端口。实际上，机器通常从1024起分配动态端口。但也有例外：SUN的RPC端口从32768开始。

使用规则

TCP与UDP段结构中端口地址都是16比特，可以有在 0---65535 范围内的端口号。对于这65536个端口号有以下的使用规定：

端口号小于256的定义为常用端口，服务器一般都是通过常用端口号来识别的。任何TCP/IP实现所提供的服务都用1—1023之间的端口号，是由ICANN来管理的；端口号从1024—49151是被注册的端口，也成为“用户端口”，被IANA指定为特殊服务使用；
客户端只需保证该端口号在本机上是唯一的就可以了。客户端端口号因存在时间很短暂又称临时端口号；
大多数TCP/IP实现给临时端口号分配1024—5000之间的端口号。大于5000的端口号是为其他服务器预留的。

网络模型

OSI七层协议介绍

  • 互联网协议按照功能不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层

  • tcp/ip四层

    • 应用层
    • 传输层
    • 网络层
    • 网络接口层

  • tcp/ip五层

    • 应用层
    • 传输层
    • 网络层
    • 数据链路层
    • 物理层

  • osi七层

    • 应用层
    • 表示层
    • 会话层
    • 传输层
    • 网络层
    • 数据链路层
    • 物理层

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  • 每层运行常见物理设备

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  • OSI七层协议数据传输的封包与解包过程

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tcp/ip五层

  • 我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从tcp／ip五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，搞清楚了每层的主要协议

  • 就理解了整个互联网通信的原理。

  • 首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解

  • 每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件

1、物理层

（1）物理层由来

  • 上面提到，孤立的计算机之间要想一起玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网

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（2）物理层功能

  • 主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

2、数据链路层

（1）数据链路层由来

  • 单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思

（2）数据链路层的功能

  • 定义了电信号的分组方式

（3）补充

[1]以太网协议

  • 早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即以太网协议ethernet

  • ethernet规定

    • 一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’

    • 每一数据帧分成：报头head和数据data两部分

head data

  • head包含：(固定18个字节)

    • 发送者／源地址，6个字节

    • 接收者／目标地址，6个字节

    • 数据类型，6个字节

  • data包含：(最短46字节，最长1500字节)

    • 数据包的具体内容

  • head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

[2]mac地址
  • head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即mac地址
  • mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）
    • ether 00:16:3e:1a:83:a0
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.28.59.68  netmask 255.255.240.0  broadcast 172.28.63.255
        inet6 fe80::216:3eff:fe1a:83a0  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:16:3e:1a:83:a0  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 2710006  bytes 3787795615 (3.5 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 1066337  bytes 260691513 (248.6 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
[3]广播
  • 有了mac地址，同一网络内的两台主机就可以通信了（一台主机通过arp协议获取另外一台主机的mac地址）
  • ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼

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3、网络层

（0）网络知识补充

[1]什么是互联网？

  • 互联网是一种全球性的计算机网络，通过将数十亿台设备、网络和数据中心互相连接的方式实现信息共享。

  • 总结：将计算机连接起来的介质

[2]互联网建立的目的
  • 方便人们在全球范围内进行信息交流和数据交换。
  • 基于互联网的数据交互可以使用户在任何时间、任何地点获取所需的信息和服务，大大提高了信息传递的速度和效率。
  • 总结：基于互联网做数据交互
[3]上网的本质

  • 或服务器进行通信。在这种通信中，用户可以通过发送请求来获取所需的资源，如网页内容、电子邮件、文件等，同时也可以向其他用户提供自己的资源。

  • 基于网线去访问其他计算机的资源

其实我们的计算机也可以称之为服务器/服务端(专门对外提供服务)

（1）网络层由来

  • 有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是世界范围的互联网是由
  • 一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，
  • 这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难

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  • 上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，

  • 就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包），mac地址是无法区分的，它只跟厂商有关

（2）网络层功能

  • 引入一套新的地址用来区分不同的广播域／子网，这套地址即网络地址

（3）补充

[1]IP协议
  • 规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示
  • 范围0.0.0.0-255.255.255.255
  • 一个ip地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1
[2]ip地址分成两部分

  • 网络部分：标识子网

  • 主机部分：标识主机

  • 注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个ip所处的子网

  • 例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网

[3]子网掩码

  • 所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。

  • 它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。

    • 比如，IP地址172.16.10.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位
    • 那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000
    • 写成十进制就是255.255.255.0。

  • 知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。

    • 方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同
    • 如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。

  • 比如，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，

    • 172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

    • 255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

  • AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

    • 172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010

    • 255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

  • AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000001->172.16.10.0

  • 结果都是172.16.10.0，因此它们在同一个子网络。

  • 总结一下，IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

[4]ip数据包

  • ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分

    • head：长度为20到60字节

    • data：最长为65,515字节。

  • 而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。

  • 因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

以太网头 ip 头 ip数据
[5]ARP协议

  • arp协议由来：计算机通信基本靠吼，即广播的方式，所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过arp协议

  • arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

  • 协议工作方式：每台主机ip都是已知的

  • 例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

    • 一：首先通过ip地址和子网掩码区分出自己所处的子网
    场景 数据包地址
    同一子网 目标主机mac，目标主机ip
    不同子网 网关mac，目标主机ip
    • 二：分析172.16.10.10/24与172.16.10.11/24处于同一网络(如果不是同一网络，那么下表中目标ip为172.16.10.1,通过arp获取的是网关的mac)
    源mac 目标mac 源ip 目标ip 数据部分
    发送端主机 发送端mac FF:FF:FF:FF:FF:FF 172.16.10.10/24 172.16.10.11/24 数据
    • 三：这个包会以广播的方式在发送端所处的自网内传输，所有主机接收后拆开包，发现目标ip为自己的，就响应，返回自己的mac

4、传输层

（1）传输层的由来

  • 网络层的ip帮我们区分子网，以太网层的mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq，暴风影音，等多个应用程序，
  • 那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

（2）传输层功能

  • 建立端口到端口的通信

  • 补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口

（3）tcp协议与udp协议

[1]tcp协议
  • 可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长
  • 但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。
以太网头 ip 头 tcp头 数据
  • tcp报文

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  • tcp三次握手和四次挥手

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[2]udp协议
  • 不可靠传输，”报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。
以太网头 ip头 udp头 数据

5、应用层

（1）应用层由来

  • 用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开发的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式

（2）应用层功能

  • 规定应用程序的数据格式。

  • 例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据

    • 比如Email、WWW、FTP等等。
    • 那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

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