Socket 学习网络基础

1.OSI 七层网络模型浅析

当然，我们不是专业搞网络工程的，只要知道有哪些层，大概是拿来干嘛的就可以了！

OSI 七层网络模型(从下往上)：

• 物理层(Physical)：设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。可以理解为网络传输的物理媒体部分，比如网卡，网线，集线器，中继器，调制解调器等！在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，这一层的单位是:bit 比特

• 数据链路层(Datalink)：可以理解为数据通道，主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递，改层作用包括：物理地址寻址，数据的成帧，流量控制，数据检错以及重发等！另外这个数据链路指的是：物理层要为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接。媒体是长期的，连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程！这种建立起来的数据收发关系~该层的设备有：网卡，网桥，网路交换机，另外该层的单位为：帧

• 网络层(Network)：主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方，所谓的路由与寻径：一台终端可能需要与多台终端通信，这样就产生的了把任意两台终端设备数据链接起来的问题！简单点说就是：建立网络连接和为上层提供服务！该层的设备有：路由！该层的单位为：数据包，另外 IP 协议就在这一层！

• 传输层(Transport)：向上面的应用层提供通信服务，面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。接收会话层数据，在必要时将数据进行分割，并将这些数据交给网络层，并且保证这些数据段有效的到达对端！所以这层的单位是：数据段；而这层有两个很重要的协议就是：TCP 传输控制协议与 UDP 用户数据报协议，这也是本章节核心讲解的部分！

• 会话层(Session)：负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送，即不同机器上的用户之间会话的建立及管理！

• 表示层(Presentation)：对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传送给会话层。其主要功能是"处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换和加密解密，压缩解压缩"等

• 应用层(Application)：OSI 参考模型的最高层，为用户的应用程序提供网络服务。它在其他 6 层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外，该层还负责协调各个应用程序间的工作。应用层为用户提供的服务和协议有：文件服务、目录服务、文件传输服务（FTP）、远程登录服务（Telnet）、电子邮件服务（E-mail）、打印服务、安全服务、网络管理服务、数据库服务等。

好的上面我们浅述了 OSI 七层网络模型，下面总结下：

OSI 是一个理想的模型，一般的网络系统只涉及其中的几层，在七层模型中，每一层都提供一个特殊的网络功能，从网络功能角度观察：

• 下面 4 层（物理层、数据链路层、网络层和传输层）主要提供数据传输和交换功能，即以节点到节点之间的通信为主

• 第 4 层作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分；

• 上 3 层（会话层、表示层和应用层）则以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。

简言之，下 4 层主要完成通信子网的功能，上 3 层主要完成资源子网的功能。

TCP/IP 是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了 TCP/IP 协议簇。TCP/IP 协议簇分为四层，IP 位于协议簇的第二层(对应 OSI 的第三层)，TCP 位于协议簇的第三层(对应 OSI 的第四层)。TCP/IP 通讯协议采用了 4 层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这 4 层分别为：

• 应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

• 传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP 和 UDP 给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。

• 网络互连层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。

• 主机到网络层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如 Ethernet、Serial Line 等）来传送数据。

3.TCP/UDP 区别讲解

好吧，前两点侃侃而谈，只是给大家普及下 OSI 七层模型和 TCP/IP 四层模型的概念，接下来要讲的是和我们 Socket 开发相关的一些概念名词了！

1）IP 地址

2）端口

1. 用于区分不同的应用程序

2. 端口号的范围为 0-65535，其中 0-1023 未系统的保留端口，我们的程序尽可能别使用这些端口！

3. IP 地址和端口号组成了我们的 Socket，Socket 是网络运行程序间双向通信链路的终结点，是 TCP 和 UDP 的基础！

4. 常用协议使用的端口：HTTP:80，FTP：21，TELNET：23

3）TCP 协议与 UDP 协议的比较：

TCP 协议流程详解:

首先 TCP/IP 是一个协议簇，里面包括很多协议的。UDP 只是其中的一个。之所以命名为 TCP/IP 协议，因为 TCP,IP 协议是两个很重要的协议，就用他两命名了。

下面我们来讲解 TCP 协议和 UDP 协议的区别：

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的协议，即在收发数据钱，都需要与对面建立可靠的链接，这也是面试经常会问到的 TCP 的三次握手以及 TCP 的四次挥手！三次握手：建立一个 TCP 连接时，需要客户端和服务端总共发送 3 个包以确认连接的建立，在 Socket 编程中，这一过程由客户端执行 connect 来触发，具体流程图如下：

• 第一次握手：Client 将标志位 SYN 置为 1，随机产生一个值 seq=J，并将该数据包发送给 Server，Client 进入 SYN_SENT 状态，等待 Server 确认。

• 第二次握手：Server 收到数据包后由标志位 SYN=1 知道 Client 请求建立连接，Server 将标志位 SYN 和 ACK 都置为 1，ack=J+1，随机产生一个值 seq=K，并将该数据包发送给 Client 以确认连接请求，Server 进入 SYN_RCVD 状态。

• 第三次握手：Client 收到确认后，检查 ack 是否为 J+1，ACK 是否为 1，如果正确则将标志位 ACK 置为 1，ack=K+1，并将该数据包发送给 Server，Server 检查 ack 是否为 K+1，ACK 是否为 1，如果正确则连接建立成功，Client 和 Server 进入 ESTABLISHED 状态，完成三次握手，随后 Client 与 Server 之间可以开始传输数据了。

四次挥手：终止 TCP 连接，就是指断开一个 TCP 连接时，需要客户端和服务端总共发送 4 个包以确认连接的断开。在 Socket 编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行 close 来触发，具体流程图如下：

• 第一次挥手：Client 发送一个 FIN，用来关闭 Client 到 Server 的数据传送，Client 进入 FIN_WAIT_1 状态

• 第二次挥手：Server 收到 FIN 后，发送一个 ACK 给 Client，确认序号为收到序号+1（与 SYN 相同，一个 FIN 占用一个序号），Server 进入 CLOSE_WAIT 状态。

• 第三次挥手：Server 发送一个 FIN，用来关闭 Server 到 Client 的数据传送，Server 进入 LAST_ACK 状态。

• 第四次挥手：Client 收到 FIN 后，Client 进入 TIME_WAIT 状态，接着发送一个 ACK 给 Server，确认序号为收到序号+1，Server 进入 CLOSED 状态，完成四次挥手。另外也可能是同时发起主动关闭的情况：

另外还可能有一个常见的问题就是：为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？答：因为服务端在 LISTEN 状态下，收到建立连接请求的 SYN 报文后，把 ACK 和 SYN 放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的 FIN 报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即 close，也可以发送一些数据给对方后，再发送 FIN 报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方 ACK 和 FIN 一般都会分开发送。

UDP 协议详解：

UDP(User Datagram Protocol)用户数据报协议，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。相比 TCP 就是无需建立链接，结构简单，无法保证正确性，容易丢包。

4.Java 中对于网络提供的几个关键类

针对不同的网络通信层次，Java 给我们提供的网络功能有四大类：

• InetAddress：用于标识网络上的硬件资源

• URL：统一资源定位符，通过 URL 可以直接读取或者写入网络上的数据

• Socket 和 ServerSocket：使用 TCP 协议实现网络通信的 Socket 相关的类

• Datagram：使用 UDP 协议，将数据保存在数据报中，通过网络进行通信

本节我们只介绍前两个类，Socket 与 Datagram 到 TCP 和 UDP 的章节再讲解！

~InetAddress 的使用例子：

示例代码：

public class InetAddressTest {    public static void main(String[] args) throws Exception{        //获取本机InetAddress的实例：        InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();        System.out.println("本机名：" + address.getHostName());        System.out.println("IP地址：" + address.getHostAddress());        byte[] bytes = address.getAddress();        System.out.println("字节数组形式的IP地址：" + Arrays.toString(bytes));        System.out.println("直接输出InetAddress对象：" + address);    }}

运行结果图：