JAVA深化篇_35—— 网络编程基本概念
网络编程基本概念
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。
从其中我们可以提取到以下内容：
- 计算机网络的作用：资源共享和信息传递。
- 计算机网络的组成：
- 计算机硬件：计算机（大中小型服务器，台式机、笔记本等）、外部设备（路由器、交换机等）、通信线路（双绞线、光纤等）。
- 计算机软件：网络操作系统（Windows 2000 Server/Advance Server、Unix、Linux等）、网络管理软件（WorkWin、SugarNMS等）、网络通信协议（如TCP/IP协议栈等）。
网络通信协议
什么是网络通信协议
通过计算机网络可以实现不同计算机之间的连接与通信，但是计算机网络中实现通信必须有一些约定即通信协议，对速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等制定标准。
国际标准化组织(ISO，即International Organization for Standardization)定义了网络通信协议的基本框架，被称为OSI（Open System Interconnect，即开放系统互联）模型。要制定通讯规则，内容会很多，比如要考虑A电脑如何找到B电脑，A电脑在发送信息给B电脑时是否需要B电脑进行反馈，A电脑传送给B电脑的数据格式又是怎样的？内容太多太杂，所以OSI模型将这些通讯标准进行层次划分，每一层次解决一个类别的问题，这样就使得标准的制定没那么复杂。OSI模型制定的七层标准模型，分别是：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。
OSI七层协议模型：
网络协议的分层
虽然国际标准化组织制定了这样一个网络通信协议的模型，但是实际上互联网通讯使用最多的网络通信协议是TCP/IP网络通信协议。
TCP/IP 模型，也是按照层次划分，共四层：应用层，传输层，网络层，网络接口层（物理+数据链路层）。
OSI模型与TCP/IP模型的对应关系：
数据封装与解封
数据封装（Data Encapsulation）是指将协议数据单元（PDU）封装在一组协议头和协议尾中的过程。在OSI七层参考模型中，每层主要负责与其它机器上的对等层进行通信。该过程是在协议数据单元（PDU）中实现的，其中每层的PDU一般由本层的协议头、协议尾和数据封装构成。
-
数据发送处理过程
- 应用层将数据交给传输层，传输层添加上TCP的控制信息（称为TCP头部），这个数据单元称为段（Segment），加入控制信息的过程称为封装。然后，将段交给网络层。
- 网络层接收到段，再添加上IP头部，这个数据单元称为包（Packet）。然后，将包交给数据链路层。
- 数据链路层接收到包，再添加上MAC头部和尾部，这个数据单元称为帧（Frame）。然后，将帧交给物理层。
- 物理层将接收到的数据转化为比特流，然后在网线中传送。
-
数据接收处理过程
- 物理层接收到比特流，经过处理后将数据交给数据链路层。
- 数据链路层将接收到的数据转化为数据帧，再除去MAC头部和尾部，这个除去控制信息的过程称为解封，然后将包交给网络层。
- 网络层接收到包，再除去IP头部，然后将段交给传输层。
- 传输层接收到段，再除去TCP头部，然后将数据交给应用层。
从以上传输过程中，可以总结出以下规则：
- 发送方数据处理的方式是从高层到底层，逐层进行数据封装。
- 接收方数据处理的方式是从底层到高层，逐层进行数据解封。
接收方的每一层只把对该层有意义的数据拿走，或者说每一层只能处理发送方同等层的数据，然后把其余的部分传递给上一层，这就是对等层通信的概念。
IP地址
IP地址
IP是Internet Protocol Address，即"互联网协议地址"。
用来标识网络中的一个通信实体的地址。通信实体可以是计算机、路由器等。 比如互联网的每个服务器都要有自己的IP地址，而每个局域网的计算机要通信也要配置IP地址。
路由器是连接两个或多个网络的网络设备。
IP地址分类：
| 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 |
目前主流使用的IP地址是IPV4，但是随着网络规模的不断扩大，IPV4面临着枯竭的危险，所以推出了IPV6。
IPV4，采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，它只有4段数字，每一段最大不超过255。随着互联网的发展，IP地址不够用了，在2019年11月25日IPv4位地址分配完毕。
IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。
IP地址实际上是一个32位整数（称为IPv4），以字符串表示的IP地址如192.168.0.1实际上是把32位整数按8位分组后的数字表示，目的是便于阅读。
IPv6地址实际上是一个128位整数，它是目前使用的IPv4的升级版，以字符串表示类似于2001:0db8:85a3:0042:1000:8a2e:0370:7334
公有地址
公有地址（Public address）由Inter NIC（Internet Network Information Center互联网信息中心）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。通过它直接访问互联网。
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
A类 10.0.0.0–10.255.255.255
B类 172.16.0.0–172.31.255.255
C类 192.168.0.0–192.168.255.255
注意事项
- 127.0.0.1 本机地址
- 192.168.0.0–192.168.255.255为私有地址，属于非注册地址，专门为组织机构内部使用
端口port
端口号用来识别计算机中进行通信的应用程序。因此，它也被称为程序地址。
一台计算机上同时可以运行多个程序。传输层协议正是利用这些端口号识别本机中正在进行通信的应用程序，并准确地进行数据传输。
总结
- IP地址好比每个人的地址（门牌号），端口好比是房间号。必须同时指定IP地址和端口号才能够正确的发送数据。
- IP地址好比为电话号码，而端口号就好比为分机号。
端口分配
端口是虚拟的概念，并不是说在主机上真的有若干个端口。通过端口，可以在一个主机上运行多个网络应用程序。 端口的表示是一个16位的二进制整数，对应十进制的0-65535。
操作系统中一共提供了0~65535可用端口范围。
按端口号分类：
**公认端口（Well Known Ports）：**从0到1023，它们紧密绑定（binding）于一些服务。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（Registered Ports）：**从1024到65535。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。
URL
URL作用：
URL（Uniform Resource Locator），是互联网的统一资源定位符。用于识别互联网中的信息资源。通过URL我们可以访问文件、数据库、图像、新闻等。
在互联网上，每一信息资源都有统一且唯一的地址，该地址就叫URL，URL由4部分组成：协议 、存放资源的主机域名、资源文件名和端口号。如果未指定该端口号，则使用协议默认的端口。例如http 协议的默认端口为 80。 在浏览器中访问网页时，地址栏显示的地址就是URL。
在java.net包中提供了URL类，该类封装了大量复杂的涉及从远程站点获取信息的细节。
Socket
我们开发的网络应用程序位于应用层，TCP和UDP属于传输层协议，在应用层如何使用传输层的服务呢？在应用层和传输层之间，则是使用套接字Socket来进行分离。
套接字就像是传输层为应用层开的一个小口，应用程序通过这个小口向远程发送数据，或者接收远程发来的数据；而这个小口以内，也就是数据进入这个口之后，或者数据从这个口出来之前，是不知道也不需要知道的，也不会关心它如何传输，这属于网络其它层次工作。
Socket实际是传输层供给应用层的编程接口。Socket就是应用层与传输层之间的桥梁。使用Socket编程可以开发客户机和服务器应用程序，可以在本地网络上进行通信，也可通过Internet在全球范围内通信。
TCP协议和UDP协议
TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）。TCP方式就类似于拨打电话，使用该种方式进行网络通讯时，需要建立专门的虚拟连接，然后进行可靠的数据传输，如果数据发送失败，则客户端会自动重发该数据。
TCP在建立连接时又分三步走：
n 第一步，是请求端（客户端）发送一个包含SYN即同步（Synchronize）标志的TCP报文，SYN同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号。
n 第二步，服务器在收到客户端的SYN报文后，将返回一个SYN+ACK的报文，表示客户端的请求被接受，同时TCP序号被加一，ACK即确认（Acknowledgement）。
n 第三步，客户端也返回一个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加一，到此一个TCP连接完成。然后才开始通信的第二步：数据处理。
n 这就是所说的TCP的三次握手（Three-way Handshake）。
UDP协议
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）
UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接， 当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。 在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、 计算机的能力和传输带宽的限制； 在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
UDP方式就类似于发送短信，使用这种方式进行网络通讯时，不需要建立专门的虚拟连接，传输也不是很可靠，如果发送失败则客户端无法获得。
UDP 因为没有拥塞控制，一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好，也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包，但是优点也很明显，在某些实时性要求高的场景（比如电话会议）就需要使用 UDP 而不是 TCP
TCP和UDP区别
这两种传输方式都在实际的网络编程中使用，重要的数据一般使用TCP方式进行数据传输，而大量的非核心数据则可以通过UDP方式进行传递，在一些程序中甚至结合使用这两种方式进行数据传递。
由于TCP需要建立专用的虚拟连接以及确认传输是否正确，所以使用TCP方式的速度稍微慢一些，而且传输时产生的数据量要比UDP稍微大一些。
| UDP | TCP | |
|---|---|---|
| 是否连接 | 无连接 | 面向连接 |
| 是否可靠 | 不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制 | 可靠传输，使用流量控制和拥塞控制 |
| 连接对象个数 | 支持一对一，一对多，多对一和多对多交互通信 | 只能是一对一通信 |
| 传输方式 | 面向报文 | 面向字节流 |
| 首部开销 | 首部开销小，仅8字节 | 首部最小20字节，最大60字节 |
| 适用场景 | 适用于实时应用（IP电话、视频会议、直播等） | 适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输 |
总结
- TCP是面向连接的，传输数据安全，稳定，效率相对较低。
- UDP是面向无连接的，传输数据不安全，效率较高。