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🔥专栏：【Java】登神长阶 史诗般的Java成神之路
🛡️一.认识网络
网络是指由多个设备（如计算机、服务器、打印机等）通过通信介质（如电缆、光纤、无线信号等）相互连接而成的系统，这些设备可以通过网络进行数据交换、资源共享等活动。网络可以按照不同的标准进行分类，比如按照规模、拓扑结构、传输介质等。
基本组成部分
- 节点（Nodes）：网络中的设备，如计算机、路由器、交换机等。
- 链路（Links）：连接节点的物理或逻辑通道，如网线、无线信号等。
- 协议（Protocols）：规定网络中数据传输的规则和标准，如TCP/IP、HTTP等。
分类
- 局域网（LAN）：在一个相对较小的地理区域内连接的网络，如办公室内的网络。
- 城域网（MAN）：覆盖城市范围的网络。
- 广域网（WAN）：覆盖广阔地理区域的网络，如互联网。
- 个人区域网（PAN）：覆盖个人周边设备的小型网络，如蓝牙网络。
拓扑结构
- 总线型（Bus）：所有节点都连接到一条公共的主线上。
- 星型（Star）：所有节点都连接到一个中心节点（如交换机或路由器）。
- 环型（Ring）：节点形成一个封闭的环，数据沿着环传递。
- 树型（Tree）：类似于分支结构，适用于大型网络。
- 网状（Mesh）：所有节点都与其他节点连接，提供高冗余和可靠性。
功能
- 数据通信：允许节点之间交换数据。
- 资源共享：使用户可以访问网络上的硬件和软件资源，如打印机、文件服务器等。
- 分布式处理：将任务分散到多个节点上进行处理，提高效率和性能。
- 消息传递：允许用户在网络中发送和接收消息。
层次结构
网络通常遵循分层模型，其中最著名的是OSI七层模型和TCP/IP四层模型。
- OSI七层模型：从低到高分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
- TCP/IP四层模型：从低到高分别为网络接口层、网际层、传输层和应用层。
IP地址
定义： IP地址（Internet Protocol Address）是为互联网上的设备分配的一个唯一地址标识。IPv4使用32位地址空间，IPv6则使用128位地址空间，以适应未来互联网的发展需求。IP地址用于定位主机的网络地址。
作用：
- 标识网络中的设备。
- 用于路由选择，确保数据包能够到达正确的目的地。
端口号
定义： 端口号是用来标识特定网络服务或应用程序的逻辑地址部分，与IP地址一起构成完整的TCP/UDP地址。端口号用于定位主机中的进程。
作用：
- 区分同一台计算机上不同的应用进程。
- 与IP地址结合使用，形成一个完整的地址，用来发送和接收数据。
协议*
定义： 网络协议是一组规则和标准，用于规定数据在不同系统之间传输的方式。最终体现为网络上传输的数据包的格式。
例子：
- TCP (Transmission Control Protocol)：提供可靠的数据传输服务。
- UDP (User Datagram Protocol)：提供简单的、无连接的数据报服务。
- HTTP (Hypertext Transfer Protocol)：用于网页浏览的应用层协议。
协议分层
定义： 为了简化网络设计和实现，网络被分为多个层次，每一层负责特定的功能。
OSI模型与TCP/IP模型：
- OSI模型将网络通信分为7个层次：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
- TCP/IP模型通常分为4层：网络接口层、网际层、传输层、应用层。
TCP/IP模型是实际互联网使用的模型，它将网络协议分为五个主要层次：
-
应用层（Application Layer）
- 包括HTTP、FTP、SMTP等协议。
- 提供面向用户的网络应用服务。
-
传输层（Transport Layer）
- 使用TCP或UDP协议来传输数据。
- 提供端到端的可靠或非可靠数据传输服务。
-
网络层（Internet Layer）
- 使用IP协议来传输数据包。
- 关注传输中的路径规划选择，且负责地址管理
-
数据链路层（Network Interface Layer）
- 包含数据链路层和物理层的功能。
- 负责数据帧的封装/解封装以及比特流的传输。（具体实施）
- 硬件层
传输层，网络层由系统内核实现
协议分层的好处
- 模块化：每个层次独立，解耦合，可以单独开发和测试，不需要关注其他协议的实现细节。
- 标准化：各层之间的接口定义清晰，有助于标准化。
- 灵活性：可以替换特定层次的实现而不影响其他层次。
- 可扩展性：易于添加新的服务或协议。
封装与分用*
封装和分用，是网络通信的最核心的流程
封装： 在数据传输过程中，上层的数据被下一层添加头部信息包裹起来，形成一个新的数据单元。
分用： 当数据到达目的地后，根据头部信息将数据拆解并分发给相应的上层处理。
- 不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段(segment)，在网络层叫做数据报(datagram)，在链路层叫做帧(frame)。
- 应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上⼀个数据首部(header)，称为封装 (Encapsulation)。
- 首部信息中包含了⼀些类似于首部有多长，载荷(payload)有多长，上层协议是什么等信息。
- 数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中的 "上层协议字段" 将数据交给对应的上层协议处理。
- 网络层也有多种协议，其中最主要的是IPv4，此外还有IPv6
客户端与服务器
定义： 客户端-服务器架构是一种分布式应用架构，其中客户端发起请求，服务器响应请求。
作用：
- 客户端：发起请求和服务的用户界面。
- 服务器：处理客户端请求并返回结果的服务程序。
请求与响应
定义： 客户端向服务器发送请求消息，服务器处理请求后返回响应消息。
过程：
- 客户端构建请求，并将其发送到服务器。
- 服务器接收到请求后进行处理。
- 服务器构建响应，并将其发送回客户端。
- 客户端接收并处理响应。
🪚二.两台主机之间网络通信的流程
两台主机之间的网络通信是一个复杂但有序的过程，涉及到多个层次和组件的交互。下面我们将详细探讨这一流程：
1. 发送方主机
应用层
- 步骤1： 用户通过应用程序（如浏览器、邮件客户端等）发起通信请求。
- 步骤2： 应用层创建数据，并将其组织成合适的数据格式。
传输层
- 步骤3： 传输层（如TCP）对数据进行封装，添加源端口号和目的端口号。这一步是为了确保数据可以准确地送达目标应用程序。
- 步骤4： 如果使用的是TCP协议，则还会建立连接，确保数据传输的可靠性。
网络层
- 步骤5： 网络层（如IP）添加源IP地址和目的IP地址。这一步是为了确保数据包可以到达正确的网络位置。
- 步骤6： 数据包可能还需要经过路由选择，以确定最优路径。
数据链路层
- 步骤7： 数据链路层（如Ethernet）添加源MAC地址和目的MAC地址。这一步是为了确保数据可以在物理网络上正确传输。
- 步骤8： 数据链路层还可能进行错误检测和纠正，确保数据的完整性。
物理层
- 步骤9： 物理层将二进制数据转换成电信号或光信号，在物理介质（如光纤、双绞线等）上传输。
2. 中间路由器
路由选择
- 步骤10： 数据包到达路由器后，路由器会检查IP数据包的头部信息来确定下一跳。
- 步骤11： 路由器可能会更新TTL（Time To Live）字段，并进行其他必要的处理。
3. 接收方主机
物理层
- 步骤12： 物理层接收电信号或光信号，并将其转换为二进制数据。
数据链路层
- 步骤13： 数据链路层解析MAC地址，确认数据包是否是发给自己的。
- 步骤14： 数据链路层执行错误检测，如果发现错误，则可能需要重新传输。
网络层
- 步骤15： 网络层解析IP地址，确认数据包是否是发给自己的。
- 步骤16： 网络层可能会计算校验和以验证数据包的完整性。
传输层
- 步骤17： 传输层（如TCP）根据端口号将数据包分发给正确的应用程序。
- 步骤18： 如果使用的是TCP，则还需要进行流量控制和拥塞控制等操作。
应用层
- 步骤19： 应用层处理数据，并显示给用户或进一步处理。
4. 响应流程
- 步骤20： 接收方主机根据请求生成响应，并按照上述相反的顺序发送回发送方主机。
- 步骤21： 发送方主机接收响应，并通过应用程序展示给用户。
这个流程展示了数据如何从一台主机传输到另一台主机，并最终到达用户的应用程序。每一步都有其特定的功能和作用，共同保证了数据的正确传输。
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