Socket學習網路基礎準備


本節引言：

為了照顧沒學過Java Socket的初學者，或是說捋一捋Android開發中涉及到的網路協定相關的概念， 畢竟面試的時候，面試官來了句給我說下網路協定有幾層？那麼IP協定在哪層？ Socket是什麼鬼？ 分哪幾種？ TCP和UDP協定又在哪一層？有什麼差別...嗯，這...所以學習本節概念性的理論還是很有 必要的！那麼話不多說，開始本節內容~

1.OSI七層網路模型淺析

當然，我們不是專業搞網路工程的，只要知道有哪些層，大概是拿來幹嘛的就可以了！

OSI七層網路模型(由下往上)：

  • 物理層(Physical)：設備之間的資料通訊提供傳輸媒體及互連設備，為資料傳輸提供可靠的 環境。可以理解為網路傳輸的實體媒體部分，例如網卡，網路線，集線器，中繼器，調變解調器等！ 在這一層，資料尚未被組織，僅作為原始的位元流或電氣電壓處理，這一層的單位是:bit位元
  • ##資料鏈結層(Datalink)：可以理解為資料通道，主要功能是如何在不可靠的實體線路上進行 資料的可靠傳遞，改層作用包括：實體位址尋址，資料的成幀，流量控制，資料檢錯以及重發等！ 另外這個資料連結指的是：實體層要為終端設備間的資料通訊提供傳輸媒體及其連線。媒體是 長期的，連結是有生存期的。在連接生存期內，收發兩端可以進行不等的一次或多次數據通訊。 每次通訊都要經過建立通訊聯絡和拆除通訊聯絡兩個過程！這種建立起來的資料收發關係~ 此層的設備有：網卡，網橋，網路交換器，另外該層的單位為：訊框
  • 網路層(Network)：主要功能是將網路位址翻譯成對應的實體位址，並決定如何將資料從發 送方路由到接收方，所謂的路由與尋徑：一台終端可能需要與多台終端通信，這樣就產生的了 把任兩台終端設備資料連結起來的問題！簡單點說就是：建立網路連線和為上層提供服務！ 該層的設備有：路由！該層的單位為：封包，另外IP協定就在這一層！
  • 傳輸層(Transport)：向上面的應用層提供通訊服務，面向通訊部分的最高層，同時也是 使用者功能中的最低層。接收會話層數據，必要時將數據分割，並將這些數據交給網絡 層，並且保證這些資料段有效的到達對端！所以這層的單位是：資料段；而這層有兩個很重要 的協定是：TCP傳輸控制協定與UDP用戶資料報協定，這也是本章節核心講解的部分！
  • 會話層(Session)：負責在網路中的兩個節點之間建立、維持和終止通訊。建立通信鏈接， 保持會話過程通訊連結的暢通，同步兩個節點之間的對話，決定通訊是否中斷以及通訊中斷時 決定從何處重新發送，即不同機器上的使用者之間會話的建立及管理！
  • 表示層(Presentation)：對來自應用層的指令和資料進行解釋，對各種語法賦予相應 的意義，並依照一定的格式傳送給會話層。其主要功能為"處理使用者資訊的表示問題，如編碼、 資料格式轉換與加密解密，壓縮解壓縮"等
  • 應用程式層(Application)：OSI參考模型的最高層，為使用者的應用程式提供網路服務。 它在其他6層工作的基礎上，負責完成網絡中應用程式與網絡操作系統之間的聯繫，建立與結束用戶之間的聯繫，並完成網絡用戶提出的各種網絡服務及應用所需的監督、管理和服務等各種協議。此外，該層也負責協調各個應用程式間的工作。應用層提供給使用者的服務和協定有：檔案服務、目錄服務、檔案傳輸服務（FTP）、遠端登入服務（Telnet）、電子郵件服務（E-mail）、列印服務、安全服務、網路管理服務、資料庫服務等。

好的上面我們淺述了OSI七層網路模型，以下總結下：

OSI是一個理想的模型，一般的網路系統只涉及其中的幾層，在七層模型中，每一層都提供一個特殊 的網路功能，從網路功能角度觀察：

  • 下面4層（物理層、資料鏈結層、網路層和傳輸層）主要提供資料傳輸和交換功能， 即以節點到節點之間的通訊為主
  • 第4層作為上下兩部分的橋樑，是整個網路體系結構中最關鍵的部分；
  • 上3層（會話層、表示層和應用層）則以提供使用者與應用程式之間的資訊和資料處理功能為主。

簡言之，下4層主要完成通訊子網路的功能，上3層主要完成資源子網路的功能。

—以上內容參考自：OSI七層模型詳解

2.TCP/IP四層模型

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TCP/IP是一組協定的代名詞，它還包括許多協議，組成了TCP/IP協定簇。 TCP/IP協定簇分為四層，IP位於協定簇的第二層(對應OSI的第三層)，TCP位於協定簇的第三層 (對應OSI的第四層)。 TCP/IP通訊協定採用了4層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供 的網路來完成自己的需求。這4層分別為：

  • 應用程式層：應用程式間溝通的層，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、檔案傳輸協定（FTP）、 網路遠端存取協定（Telnet）等。
  • 傳輸層：在此層中，它提供了節點間的資料傳送服務，如傳輸控制協定（TCP）、 用戶資料報協定（UDP）等，TCP和UDP加入傳輸資料並將它傳送到下一層中， 這一層負責傳送數據，並且確定數據已被送達並接收。
  • 網路互連層：負責提供基本的資料封包傳送功能，讓每個封包都能夠到達目 的主機（但不檢查是否被正確接收），如網際協定（IP）。
  • 主機到網路層：對實際的網路媒體的管理，定義如何使用實際網路 （如Ethernet、Serial Line等）來傳送資料。

3.TCP/UDP區別講解

#好吧，前兩點侃侃而談，只是給大家普及下OSI七層模型和TCP/ IP四層模型的概念，接下來要說的是 和我們Socket開發相關的一些概念名詞了！

1）IP位址

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2）連接埠

#1. 用來區分不同的應用程式

2. 端口號的範圍為0-65535，其中0-1023未系統的保留端口，我們的程式盡可能別使用這些端口！

3. IP位址和連接埠號碼組成了我們的Socket，Socket是網路運行程式間雙向通訊連結的終點， 是TCP和UDP的基礎！

4. 常用協定使用的連接埠：HTTP:80，FTP：21，TELNET：23

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3 ）TCP協定與UDP協定的比較：

TCP協定流程詳解:

首先TCP/IP是一個協定簇，裡麵包含很多協定的。 UDP只是其中的一個。之所以命名為TCP/IP協議， 因為TCP,IP協議是兩個很重要的協議，就用他兩命名了。

下面我們來講解TCP協定和UDP協定的差異：

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協定）是面向連線的協議，即在收發數據錢 ，都需要與對面建立可靠的鏈接，這也是面試經常會問到的TCP的三次握手以及TCP的四次揮手！ 三次握手： 建立一個TCP連線時，需要客戶端和服務端總共發送3個包以確認連線的建立， 在Socket程式設計中，這個過程由客戶端執行connect來觸發，具體流程圖如下：

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  • 第一次握手：Client將標誌位元SYN置為1，隨機產生一個值seq=J，並將該封包傳送給Server， Client進入SYN_SENT狀態，等待Server確認。
  • 第二握手：Server收到封包後由標誌位SYN=1知道Client請求建立連接，Server將標誌位 SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產生一個值seq=K，並將該封包傳送給Client以確認連線請求 ，Server進入SYN_RCVD狀態。
  • 第三次握手：Client收到確認後，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標誌位元ACK 置為1，ack=K+1，並將該封包傳送給Server，Server檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則 連線建立成功，Client和Server進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，隨後Client與Server之間可以 開始傳輸資料了。

四次揮手： 終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連線時，需要客戶端和服務端總共發送4個包以確認連線的斷開。 在Socket程式設計中，這個過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發，具體流程圖如下：

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  • 第一次揮手：Client發送一個FIN，用來關閉Client到Server的資料傳送，Client進入 FIN_WAIT_1狀態
  • 第二揮手：Server收到FIN後，發送一個ACK給Client，確認序號為收到序號+1（與SYN相同， 一個FIN佔用一個序號），Server進入CLOSE_WAIT狀態。
  • 第三次揮手：Server發送一個FIN，用來關閉Server到Client的資料傳送，Server進入LAST_ACK 狀態。
  • 第四次揮手：Client收到FIN後，Client進入TIME_WAIT狀態，接著發送一個ACK給Server，確認序號為收到序號+1，Server進入CLOSED狀態，完成四次揮手。 另外也可能是同事發起主動關閉的情況：

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另外還可能有一個常見的問題就是：為什麼建立連線是三次握手，而關閉連線卻是四次揮手呢？ 答：因為服務端在LISTEN狀態下，收到建立連線請求的SYN封包後，把ACK和SYN放在一個封包裡 發送給客戶端。而關閉連線時，當收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發送資料了但是還 能接收數據，己方也未必全部數據都發送給對方了，所以己方可以立即close，也可以發送一些 資料給對方後，再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會 分開發送。

UDP協定詳解：

UDP(User Datagram Protocol)用戶資料報協議，非連接的協議，傳輸資料之前源端和終端不 建立連接，當它想傳送時就簡單地去抓取來自應用程式的數據，並儘可能快地把它扔到網路上。 在發送端，UDP傳送資料的速度只是受應用程式產生資料的速度、電腦的能力和傳輸頻寬 的限制；在接收端，UDP把每個訊息段放在佇列中，應用程式每次從佇列中讀取一個訊息段。 相較之下TCP就是無需建立鏈接，結構簡單，無法保證正確性，容易丟包

——上述內容部分摘自：

TCP/IP三次握手與四次揮手

TCP和UDP的差異（轉）

4.Java中對於網路提供的幾個關鍵類別：

針對不同的網路通訊層次，Java提供給我們的網路功能有四大類：

  • InetAddress： 用於標識網路上的硬體資源
  • URL： 統一資源定位符，透過URL可以直接讀取或寫入網路上的資料
  • Socket和ServerSocket： 使用TCP協定實作網路通訊的Socket相關的類別
  • Datagram： 使用UDP協議，將資料保存在資料封包中，透過網路進行通訊

本節我們只介紹前兩個類，Socket與Datagram到TCP和UDP的章節再講解！

~InetAddress的使用範例：

範例程式碼：

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);
	}
}

執行結果圖：

7.png

~URL：這個就不用說了吧，忘了可以看會前面Http協定講解那裡~

本節小結：

本節全是概念，看起來可能夠嗆的是把，不過看不懂也沒關係，知道七層模型每層叫 什麼，大概拿來幹嘛，還有TCP三次握手和四次揮手，就可以了！當然，這只是為了 應付面試~實際開發我們哪會糾結這個...直接Socket是吧~嗯，下節我們就來開始學習 Android中的Socket通訊~謝謝~