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浅谈网络编程

2016-06-23  本文已影响842人  _凉风_

引言

网络学习的核心内容就是网络协议的学习

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网络层次的划分

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信，以便在更大的范围内建立计算机网络

  • 国际标准化组织（ISO）在 1978 年提出了“开放系统互联参考模型”
    即著名的 OSI/RM 模型（Open System Interconnection/Reference Model）
  • 除了标准的 OSI 七层模型以外，常见的网络层次划分还有 TCP/IP 四层协议 以及 TCP/IP 五层协议

各个模型对比图

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一、应用层「Application Layer」

简介

具体分类

1. HTTP「Hypertext Transfer Protocol」超文本传输协议

作用：规定客户端和服务器之间的数据传输格式
特点：

1）发送请求的方法「不同的方法对资源有不同的操作方式」

2）请求参数

传递给服务器的具体数据，比如：帐号、密码
浏览器和服务器对URL的长度有限制，一般不超过 1K

GET请求参数

POST请求参数

3）HTTP 通信过程 - 请求

I. 请求头：对客户端环境，请求信息的描述

II. 请求体：客户端发给服务器的具体数据，比如：文件数据「POST才会有」

4）HTTP 通信过程 - 响应

I. 响应头：服务器的描述，返回数据的描述

II. 响应体：服务器返回客户端的具体数据，比如：文件数据
III. 常见的响应状态码

状态码 英文名称 中文描述
200 OK 请求成功
400 Bad Request 客户端请求语法错误，服务器无法解析
404 NotFound 根据客户端的请求，找不到资源
500 Internal Server Error 服务器内部错误无法完成请求

2. DNS 「Domain Name System」域名系统协议

简介

域名：是由圆点分开一串单词或缩写组成的，域名与 IP 地址之间是一一对应的

3. DHCP「Dynamic Host Configuration Protocol」 动态主机设置协议

简介

4. URL「Uniform Resource Locator」统一资源定位符

一个 URL 对应网上一个资源

  • 客户端「Client」移动应用（iOS、android等应用）
  • 服务器「Server」为客户端提供服务、提供数据、提供资源的机器
  • 请求「Request」客户端向服务器索取数据的一种行为
  • 响应「Response」服务器对客户端的请求做出的反应，一般指返回数据给客户端

基本格式：协议: // 主机地址 / 路径

  1. 协议：资源的 查找/传输 方式

    • HTTP 超文本传输协议，访问的是远程的网络资源。格式：http://
    • file 访问本地计算机上的资源。格式：file:// 不用加主机地址
    • mailto 访问电子邮件。格式：mailto:
    • FTP 访问的是共享主机的文件资源。格式：ftp://

  2. 主机地址：存放资源的主机「服务器」的 IP地址「域名」

  3. 路径：资源在主机「服务器」中的 具体位置

二、传输层「Transport Layer」

简介

功能

端到端：连接是两个终端主机之间的连接，这两个终端系统的连接中要经过很多个设备「路由器」
点对点：连接是通信双方直接通过电缆进行的连接，中间没有经过其他任何设备

1. Socket「套接字」

简介

通过 Socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据

HTTP 与 Socket 的区别

  1. HTTP 是基于 Socket 的实现；HTTP 应用层协议，主要解决如何包装数据
  2. HTTP 传输的数据格式是规定好的，Socket 实现数据传输是最原始，Socket 实现的数据传输格式可自定义
  3. Socket 是对 TCP/IP 协议的封装，Socket 本身并不是协议，而是一个调用接口「API」
    通过 Socket 我们才能使用 TCP/IP 协议

I. 网络通信的要素

首先，定位到要通信的程序：使用 IP地址、端口；其次，确定如何传输数据：使用 协议、数据传输方式

有可能多种协议使用同一种数据传输方式，所以在 Socket 编程中，需要同时指明数据传输方式和协议

作用：表示进程的逻辑地址，是不同进程的标识
有效端口：0~65535，其中 0~1024 由系统使用或者保留端口，开发中建议使用 1024 以上 的端口

简介：协议仅仅是一种规范，必须由计算机软件来实现，由计算机组织制定。例如，如何建立连接，如何相互识别等
特点：通信的双方必须使用同一协议才能通信
常见协议：TCP、UDP、IP

注意：SOCK_DGRAM 没有想象中的糟糕，不会频繁的丢失数据，数据错误只是小概率事件

II. Socket 的连接过程

长连接：指在一个连接上可以连续发送多个数据包，在连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发链路检测包
短连接：指通讯双方有数据交互时，就建立一个连接，数据发送完成后，则断开此连接，即每次连接只完成一项业务的发送

  1. 服务器监听
    服务器端 Socket 并不定位具体的客户端 Socket，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态
  2. 客户端请求
    由客户端的 Socket 提出连接请求，要连接的目标是服务器端的 Socket
    为此，客户端的 Socket 必须首先描述它要连接的服务器的 Socket
    首先，指出服务器端 Socket 的 IP 和 Port Number
    然后，向服务器端 Socket 提出连接请求
  3. 连接确认
    是指当服务器端 Socket 监听到或者说接收到客户端 Socket 的连接请求
    它就响应客户端 Socket 的请求，建立一个新的线程，把服务器端 Socket 的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了
    连接后，服务器端 Socket 继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求

Socket 连接图解

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2. TCP「Transmission Control Protocol」传输控制协议

简介

特点

TCP 报文首部格式

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I. 建立连接-三次握手

建立连接非常重要，是数据正确传输的前提

模拟步骤

具体步骤

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必要性

II. 断开连接-四次挥手

释放不再使用的资源
不能正常断开，会造成数据传输错误，套接字不能关闭，持续占用资源，如果并发量高，服务器压力堪忧

模拟步骤

具体步骤

报文最大生存时间（MSL，Maximum Segment Lifetime）
数据包在网络中是有生存时间的，超过这个时间还未到达目标主机就会被丢弃，并通知源主机

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3. UDP「User Datagram Protocol」用户数据协议

简介

特点

三、网络层「Network Layer」

简介

包含的主要协议

1. IP 地址

简介：一共 4 个字节的长度，32 位

1）网络地址

2）广播地址

3）IPv4 地址分类

A、B、C 类私有地址

私有地址「private address」也叫专用地址，它们不会在全球使用，只具有本地意义

地址的分类

注：只有A、B、C 有网络号和主机号之分，D 类地址和 E 类地址没有划分网络号和主机号

4）特殊的 IP 地址解释

本地网络

注：一般的广播地址「直接广播地址」能够通过某些路由器，而受限的广播地址不能通过路由器

广播地址

127.0.0.0/8 回环地址

5）网络划分

简介

注意：全为 0 或 1 的 IP 地址是不能被计算子网掩码内的

利用子网数来计算子网掩码

在求子网掩码之前，先搞清楚要划分的子网数目，以及每个子网内的所需主机数目

  1. 将子网数目转化为二进制来表示;

如欲将B类IP地址 168.195.0.0 划分成 27 个子网：27=11011

  1. 取得该二进制的位数，设为 N

该二进制为五位数，N = 5

  1. 取得该 IP 地址的类子网掩码，将其主机地址部分的的前 N 位设为 1

将 B 类地址的子网掩码 255.255.0.0 的主机地址从前向后前 5 位设为 1，得到子网掩码 255.255.248.0

利用主机数来计算子网掩码

如欲将 B 类 IP 地址 168.195.0.0 划分成若干子网，每个子网内有主机 700 台：

  1. 将主机数目转化为二进制来表示

700=1010111100

  1. 如果主机数小于或等于 254（注意去掉保留的两个 IP 地址），则取得该主机的二进制位数，为 N，这里肯定 N<8

如果大于 254，则 N>8，这就是说主机地址将占据不止 8 位，该二进制为十位数，N=10

  1. 使用 255.255.255.255 来将该类 IP 地址的主机地址位数全部置 1，然后从后向前的将 N 位全部置为 0

将该 B 类地址的子网掩码 255.255.0.0 的主机地址全部置 1，得到 255.255.255.255，然后再从后向前将后 10位置 0
即为：11111111.11111111.11111100.00000000，即 255.255.252.0
这就是主机为 700 台的 B 类 IP 地址 168.195.0.0 的子网掩码

根据每个网络的主机数量进行子网地址的规划和计算子网掩码

2. ARP/RARP 地址解析协议

ARP「Address Resolution Protocol」简介

ARP 欺骗

ARP 工作流程

IP 数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）

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RARP「Reverse Address Resolution Protocol」简介

比如：局域网中有一台主机只知道物理地址而不知道 IP 地址
那么可以通过 RARP 协议发出征求自身 IP 地址的广播请求，然后由 RARP 服务器负责回答。

3. RIP/OSPF 路由选择协议

RIP协议

OSPF协议

4. NAT「Network Address Translation」网络地址转换协议

简介

四、数据链路层「Data Link Layer」

简介

其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点

作用

五、物理层「Physical Layer」

简介：激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。

作用

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