网络编程【网络编程基本概念、网络通信协议、IP地址、 TCP协议和UDP协议】(一)-全面详解（学习总结---从入门到深化）

╰半夏微凉° 2023-10-13 15:41 83阅读 0赞

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**目录**

网络编程基本概念

网络通信协议

IP地址

TCP协议和UDP协议

--------------------

## 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：
> 
> 1 计算机网络的作用：资源共享和信息传递。
> 
> 2 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 ##

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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：

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**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：

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**数据封装与解封**

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> 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
> 
> 1 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。
> 
> 2 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。
> 
> 3 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。
> 
> 4 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
> 
> 1 物理层接收到比特流，经过处理后将数据交给数据链路层。
> 
> 2 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。
> 
> 3 网络层接收到包，再除去IP头部，然后将段交给传输层。
> 
> 4 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：

> 1 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。
> 
> 2 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。
> 
> 数据封装与解封：
> 
>  **数据封装**
> 
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> 
> **数据解封**
> 
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## IP地址 ##

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> 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： ###

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> 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。

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> 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
> 
> 1、127.0.0.1 本机地址
> 
> 2、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。

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>  **总结**
> 
> 1、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。
> 
> 2、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**

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**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**

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> 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。

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> 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。

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