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网络编程基础

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在学习Java网络编程之前,我们先来了解什么是计算机网络。

计算机网络是指两台或更多的计算机组成的网络,在同一个网络中,任意两台计算机都可以直接通信,因为所有计算机都需要遵循同一种网络协议。

那什么是互联网呢?互联网是网络的网络(internet),即把很多计算机网络连接起来,形成一个全球统一的互联网。

对某个特定的计算机网络来说,它可能使用网络协议ABC,而另一个计算机网络可能使用网络协议XYZ。如果计算机网络各自的通讯协议不统一,就没法把不同的网络连接起来形成互联网。因此,为了把计算机网络接入互联网,就必须使用TCP/IP协议。

TCP/IP协议泛指互联网协议,其中最重要的两个协议是TCP协议和IP协议。只有使用TCP/IP协议的计算机才能够联入互联网,使用其他网络协议(例如NetBIOS、AppleTalk协议等)是无法联入互联网的。

IP地址

在互联网中,一个IP地址用于唯一标识一个网络接口(Network Interface)。一台联入互联网的计算机肯定有一个IP地址,但也可能有多个IP地址。

IP地址分为IPv4和IPv6两种。IPv4采用32位地址,类似101.202.99.12,而IPv6采用128位地址,类似2001:0DA8:100A:0000:0000:1020:F2F3:1428。IPv4地址总共有232个(大约42亿),而IPv6地址则总共有2128个(大约340万亿亿亿亿),IPv4的地址目前已耗尽,而IPv6的地址是根本用不完的。

IP地址又分为公网IP地址和内网IP地址。公网IP地址可以直接被访问,内网IP地址只能在内网访问。内网IP地址类似于:

  • 192.168.x.x
  • 10.x.x.x

有一个特殊的IP地址,称之为本机地址,它总是127.0.0.1

IPv4地址实际上是一个32位整数。例如:

106717964 = 0x65ca630c
          = 65  ca  63 0c
          = 101.202.99.12

如果一台计算机只有一个网卡,并且接入了网络,那么,它有一个本机地址127.0.0.1,还有一个IP地址,例如101.202.99.12,可以通过这个IP地址接入网络。

如果一台计算机有两块网卡,那么除了本机地址,它可以有两个IP地址,可以分别接入两个网络。通常连接两个网络的设备是路由器或者交换机,它至少有两个IP地址,分别接入不同的网络,让网络之间连接起来。

如果两台计算机位于同一个网络,那么他们之间可以直接通信,因为他们的IP地址前段是相同的,也就是网络号是相同的。网络号是IP地址通过子网掩码过滤后得到的。例如:

某台计算机的IP是101.202.99.2,子网掩码是255.255.255.0,那么计算该计算机的网络号是:

IP = 101.202.99.2
Mask = 255.255.255.0
Network = IP & Mask = 101.202.99.0

每台计算机都需要正确配置IP地址和子网掩码,根据这两个就可以计算网络号,如果两台计算机计算出的网络号相同,说明两台计算机在同一个网络,可以直接通信。如果两台计算机计算出的网络号不同,那么两台计算机不在同一个网络,不能直接通信,它们之间必须通过路由器或者交换机这样的网络设备间接通信,我们把这种设备称为网关。

网关的作用就是连接多个网络,负责把来自一个网络的数据包发到另一个网络,这个过程叫路由。

所以,一台计算机的一个网卡会有3个关键配置:

network

  • IP地址,例如:10.0.2.15
  • 子网掩码,例如:255.255.255.0
  • 网关的IP地址,例如:10.0.2.2

域名

因为直接记忆IP地址非常困难,所以我们通常使用域名访问某个特定的服务。域名解析服务器DNS负责把域名翻译成对应的IP,客户端再根据IP地址访问服务器。

nslookup可以查看域名对应的IP地址:

$ nslookup www.liaoxuefeng.com
Server:  xxx.xxx.xxx.xxx
Address: xxx.xxx.xxx.xxx#53

Non-authoritative answer:
Name:    www.liaoxuefeng.com
Address: 47.98.33.223

有一个特殊的本机域名localhost,它对应的IP地址总是本机地址127.0.0.1

网络模型

由于计算机网络从底层的传输到高层的软件设计十分复杂,要合理地设计计算机网络模型,必须采用分层模型,每一层负责处理自己的操作。OSI(Open System Interconnect)网络模型是ISO组织定义的一个计算机互联的标准模型,注意它只是一个定义,目的是为了简化网络各层的操作,提供标准接口便于实现和维护。这个模型从上到下依次是:

  • 应用层,提供应用程序之间的通信;
  • 表示层:处理数据格式,加解密等等;
  • 会话层:负责建立和维护会话;
  • 传输层:负责提供端到端的可靠传输;
  • 网络层:负责根据目标地址选择路由来传输数据;
  • 链路层和物理层负责把数据进行分片并且真正通过物理网络传输,例如,无线网、光纤等。

互联网实际使用的TCP/IP模型并不是对应到OSI的7层模型,而是大致对应OSI的5层模型:

OSI TCP/IP
应用层 应用层
表示层
会话层
传输层 传输层
网络层 IP层
链路层 网络接口层
物理层

常用协议

IP协议是一个分组交换,它不保证可靠传输。而TCP协议是传输控制协议,它是面向连接的协议,支持可靠传输和双向通信。TCP协议是建立在IP协议之上的,简单地说,IP协议只负责发数据包,不保证顺序和正确性,而TCP协议负责控制数据包传输,它在传输数据之前需要先建立连接,建立连接后才能传输数据,传输完后还需要断开连接。TCP协议之所以能保证数据的可靠传输,是通过接收确认、超时重传这些机制实现的。并且,TCP协议允许双向通信,即通信双方可以同时发送和接收数据。

TCP协议也是应用最广泛的协议,许多高级协议都是建立在TCP协议之上的,例如HTTP、SMTP等。

UDP协议(User Datagram Protocol)是一种数据报文协议,它是无连接协议,不保证可靠传输。因为UDP协议在通信前不需要建立连接,因此它的传输效率比TCP高,而且UDP协议比TCP协议要简单得多。

选择UDP协议时,传输的数据通常是能容忍丢失的,例如,一些语音视频通信的应用会选择UDP协议。

小结

计算机网络的基本概念主要有:

  • 计算机网络:由两台或更多计算机组成的网络;
  • 互联网:连接网络的网络;
  • IP地址:计算机的网络接口(通常是网卡)在网络中的唯一标识;
  • 网关:负责连接多个网络,并在多个网络之间转发数据的计算机,通常是路由器或交换机;
  • 网络协议:互联网使用TCP/IP协议,它泛指互联网协议簇;
  • IP协议:一种分组交换传输协议;
  • TCP协议:一种面向连接,可靠传输的协议;
  • UDP协议:一种无连接,不可靠传输的协议。

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