Java网络编程( 一 )数据如何在网络上传输

网络发展背景

单机阶段—>局域网阶段—>广域网阶段—>移动互联网阶段

网络传输的本质是用过,网线 、光纤、无线通信管道传输 电信号或者光信号来进行传输(1,0)等二进制信息

什么是局域网?
把一些设备通过交换机或路由器连接起来。

什么是广域网?
把更多的局域网也互相连接,形成一个一个大规模的“局域网”

什么是交换机和路由?
组网过程中的重要设备

什么是IP地址?
描述一个主机在互联网上的具体位置

什么是端口号?
用来区分一一个主机上的应用程序

发送端和接收端

发送端:数据的发送方进程,称为发送端。发送端主机即网络通信中的源主机
接收端:数据的接收方进程,称为接收端。接收端主机即网络通信中的目的主机
收发端:发送端和接收端两端,也简称为收发端

请求和响应
获取一个网络资源,涉及到两次网络数据传输:
第一次:请求数据的发送
第二次:响应数据的发送

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客户端:获取服务的一方进程,称为客户端(主机A
服务端:在常见的网络数据传输场景下,把提供服务的一方进程,称为服务端,可以提供对外服务。(主机B)

在实际的通信中,需要约定协议,通过这个协议来沟通客户端和服务器端。传输和解释数据
但是通常一个协议是非常复杂,所以大佬们,就将协议进行了拆分,分层。并且约定了层级与层级之间的调用关系

要求:上层协议调用下层协议,下层协议给上层协议提供支持,不能跨层调用。

网络协议分层

分层有两种方式:

  1. OSI 七层网络结构(这种结构,不太实际,层级很多,也有历史遗留问题,但是教科书上有)
  2. TCP / IP 协议 五层网络模型(目前最广泛使用的网络模型)

我们把这个理解成在网上购买一个货物

  • 应用层:只关注传输过来的数据,用来做啥
    一个通过协议包裹的一个数据(及你买的商品)

  • 传输层:不考虑中间路径,只关注起点和终点
    我是购买者,给商家提供我这里的地址,于此同时商家这边也会将自己的发货地址信息写在包裹上,我和商家都不管货是怎么传输的。只管货能不能到。

  • 网络层:负责两个遥远的节点之间,路径规划
    快递公司,通过包裹上的信息,得到发货点和送货点的位置信息,但是路有很多条,如何最对合适的路,这就是快递公司规划的。比如在传输中突然出现道路损坏,那么就会重新去规划一个合适的路线。

  • 数据链路层:主要关注的是两个相邻阶段之间的传输
    快递公司有许多中转站,快递公司规划好路线后,具体实现就交给各个中转站进行具体的实现

  • 物理层:网络通信的记住设施,光纤,网络接口,网线
    要致富先修路,这个就是通信的高速公路

而我其实就是只需要应用层和传输层就好。应用层在传输数据时需要定义数据协议。(HTTP就是一个非常典型的TCP协议)

那么数据是如何传输的?

封装 & 分用

发送方:传输数据,要把数据从上到下,依次交给对应的层次的协议,进行封装。
接收方: 接收数据, 要把数据从上到下,依次交给对应的层次的协议,进行解析。

封装:

我以QQ发送消息为例(简化版)
A---->B:你好B,我是A

  1. 应用层
    拿到上述用户数据,进行封装(其实就是一个字符串,规定一下分割规则)
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  2. 传输层
    拿到上述数据,并处理(传输层有许多协议,其中最典型的是TCP和UDP,此处以UDP协议),UDP针对上述数据包再进行封装。
    此处,UDP协议在给协议应用层数据报加一个UDP报头,就是为了再贴一层标签,从而在标签上填写必要的属性。(传输层协议,最重要的属性就是,源端口和目的端口)

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  1. 网络层
    接下将UDP包裹的数据报交给网络层,网络层经过自己的IP协议进行包裹。(网络层最常见的协议就是,IP的协议)

在这里插入图片描述

  1. 数据链路层
    将IP协议包裹的数据报,通过最典型的协议:叫做以太网,包裹,(这里的以太不是物理层面上的):全名叫 以太网数据帧
    以太网数据帧包裹的数 MAC 地址,什么是 MAC 地址?
  • mac地址,也叫作物理地址,描述一个主机,在网络上的位置,用来描述数据链路层,两个即将传输数据的相邻节点。
  • mac地址,与网卡绑定,世界上有网卡的设备都有一个自己的唯一mac地址(理论上)
    在这里插入图片描述
  1. 物理层
    将上述的数据报(此时早已变成010101这样的二进制数据),转换成光信号、电信号、电磁波信号,进行传输

分用:

上述的数据经过传输准确到达 B 客户此时的B的显示页面就应该有:你好B,我是A

  1. 物理层
    收到光信号、电信号、电磁波信号,还原成0101这样的二进制序列

  2. 数据链路层
    将转换的二进制序列交给数据链路层,交给以太网协议处理:把以太网的帧头去掉,再把以太网的帧尾去掉,取出中间的载荷
    Java网络编程( 一 )数据如何在网络上传输_第4张图片

  3. 网络层
    将数据链路层的载荷数据交给网络层的IP协议进行解析,也就是去掉IP报头,与此同时会进行一些操作(判断接下来的ip地址,并做路线规划)。

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  1. 传输层
    此处交给UDP协议来解析处理,还是去掉报头,取出载荷。
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  2. 应用层
    由QQ程序解析处理数据报,取出字段然后在界面上显示
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传输

传输的的过程需要不断的分用和封装
数据在传输的过程中要经过,交换机和路由器等设备,然后才到目标电脑

  • 交换机:
    数据传输到交换机后,交换机需要解析拿到 mac 地址 并判断数据报上传输的MAC地址对不对。也就意味着在交换机上,数据最多解析到数据链路层,从而判断两个节点的mac是否传输正确,然后在将数据重新封装,此时封装的mac地址与之前发生改变。源mac地址从此交换机上传至下一个交换机或者路由器(设备)。

  • 路由器:
    数据传到路由器,路由器需要解析拿到mac地址和IP地址,就需要判定数据报上的mac地址和IP地址,也就意味着需要解析到网络层。在得到目的地的IP地址后,协议会重新规划路径,然后重新封装,从此交换机交给一下个交换机或者路由器(设备)

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补充(数据链路层(以太网)):

以太网帧格式

  • “以太网” 不是一种具体的网络,而是一种技术标准;既包含了数据链路层的内容,也包含了一些物理层的内容。例如:规定了网络拓扑结构,访问控制方式,传输速率等;
  • 例如以太网中的网线必须使用双绞线;传输速率有10M,100M,1000M等;
  • 以太网是当前应用最广泛的局域网技术;和以太网并列的还有令牌环网,无线LAN等;
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  • 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址),长度是48位,是在网卡出厂时固化的;
  • 帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP;
  • 帧末尾是CRC校验码。

什么是MTU?
MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层,产生的限制。

  • 以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位;
  • 最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU;
  • 如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了,则需要对数据包进行分片(fragmentation);
  • 不同的数据链路层标准的MTU是不同的;

如果承载的数据,长度超过 MTU ,就会在 IP 层进行分包,使得美国分出来的结构,都能在MTU之内(IP的一个工作就是完成这个分包 或者 分组)

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所以,虽然MTU有限制,但是没关系,IP 仍然可以保证传输一个更大的数据。(虽然IP能拆包,但是不能保证,传输一个更大的数据)

MTU一般而言是最大是1500,但是可以看情况而定。

ARP协议

ARP不是一个单纯的数据链路层的协议,而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议
ARP协议的作用:ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。

  • 在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址;
  • 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃;
  • 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址;

工作流程:
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  • 源主机发出ARP请求,询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”,并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播);
  • 目的主机接收到广播的ARP请求,发现其中的IP地址与本机相符,则发送一个ARP应答数据包给源主机,将自己的硬件地址填写在应答包中;
  • 每台主机都维护一个ARP缓存表,可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟),如果20分钟内没有再次使用某个表项,则该表项失效,下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

ARP RARP 是二层转发(数据链路层的转发)的必要辅助工具(交换机中,有一个转发表,APR 就是用来构造转发表的机制)

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