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

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）
   
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）

3. 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）

4. 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）
  

5. 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
   

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）。

4. 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。
   

5. 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
   

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）

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；
  
• 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）

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：

• 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）