网络编程基础

2020-07-23  本文已影响0人  echoSuny

网络基础

计算机网络分层


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。

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议族。 TCP/IP协议族分为四层，IP位于协议族的第二层(对应OSI的第三层)，TCP位于协议族的第三层 (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。

MAC地址&IP地址&端口号

MAC地址

MAC地址是一个网卡的物理地址。每一个可以进行网络通信的设备，比如电脑或者手机都会有一个网络通信模块，里面又会有一个MAC模块，对应着一个MAC地址。MAC地址是唯一的，世界上不会存在两个相同的MAC地址。比如我们在网购的时候，都需要填写一个地址，而这个MAC地址就相当于你小区的地址。

IP地址


IP地址是一个网卡在网络中的通讯地址。相当于网购时候填写的几号楼几单元。

端口号


端口号用来识别同一台计算机中进行通信的不同应用程序，因此也被称为程序地址
还以网购为例，虽然上面的MAC地址和IP地址确定了你住在哪个小区的哪栋楼。但是没有门牌号，也是不能够把快递准确的送到你的手中，因为一栋楼内不会只有一户人家。而端口号则相当于你的门牌号。例如602室。这样快递员就知道可以精准配送了。
端口号规定为16位，即允许一个IP主机有2的16次方65535个不同的端口。其中：

TCP&UDP

TCP

TCP建立连接

必须进行三次握手：

什么是SYN&ACK

该图片来自于TCP报文格式详解
TCP传输数据的时候是以数据包的形式传输的，上图就是TCP数据包的结构。在上图表格中的第四行中就有一些列的控制位，SYN和ACK就位于其中。

为什么TCP建立连接需要三次握手？

答：我们的数据有可能很大，不可能一次性都传过去，因此TCP采用了分段的方式来传输数据。比如一个10M的数据，可能分成10份，每次1M来分段发送。由于TCP是可靠的传输协议，可以保证数据的正确性。我们都知道网络是有可能出现延迟的。也就是说假设客户端在发送第3份数据的时候，由于网络原因出现延迟，导致第4份数据先到了。那这该怎么保证数据的正确性呢？其实这个问题就是靠三次握手中的第一次握手时发送的序列号来保证的。打个比方客户端向服务端发送数据的序列号为100，那么服务端就知道客户端发送的数据是会从100开始，接下来的数据包上的序号则会是101，102等等。而服务端收到数据的时候也不会立即把数据从TCP传输层立即传给上面的应用层，而是会先进行一个数据缓冲。上面也说了TCP是全双工模式，即客户端可以在发数据的时候同时接收数据，服务端也是如此。那么要保证客户端收到的数据也是正确的，同理就需要服务端也需要发送一个自己的序列号给客户端。到这为止就是前两次握手的真正原因。那么第三次握手则是客户端需要告诉服务端自己收到了服务端的消息，正式建立连接。

TCP3次握手的漏洞

SYN洪泛攻击

定义
通过网络服务所在的端口发送大量伪造原地址的攻击报文，发送到服务端，造成服务端上的半开连接队列被占满，从而阻止其他用户进行访问。
原理
攻击者客户端利用伪造的IP地址向服务端发出请求(第一次握手)，而服务端的响应(第二次握手)的报文将永远发送不到真实的客户端，服务端在等待客户端的第三次握手(永远都不会有的)，服务端在等待这种半开的连接过程中消耗了资源，如果有成千上万的这种连接，主机资源将被耗尽，从而达到攻击的目的。
解决方案

TCP释放连接

TCP释放连接需要四次挥手过程：

服务端收到确认信息后就会正式关闭连接； 客户端等待2MSL后依然没有收到回复，则证明服务端已正常关闭，于是客户端关闭连接。
(MSL：Maxnum Segment LifeTime，即报文最大生存时间。如果报文超过了这个规定的时间而没有被服务端或者客户端接收到，则会被丢弃掉。而四次挥手为什么要等带2个MSL呢？这是因为是一个来回，即客户端第四次挥手进行最后确认时到服务端这是一个MSL。假设服务端还给客户端发数据，那么又是一个MSL。但真实情况是服务端不会再发送了。于是客户端就需要等待2MSL的时间来确认本次连接确实关闭了)

为什么TCP释放连接需要四次挥手？

为了保证双方都能通知对方“需要释放连接”，即在释放连接后都无法接收或发送消息给对方

三次握手&四次挥手面试题总结
  1. 三次握手是什么或者流程？四次握手呢？答案前面分析就是。
  2. 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：这是因为服务端在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。

TCP/IP中的数据包


可以看到当用户A发送数据的时候会从上层把数据一层一层的往下传递，并且在经过每一层的时候都会把这一层的首部添加上去。到来传输层，那么就加上TCP头部和端口号，再往下加上IP地址头部，包含了目标地址和自己的IP地址，再往下就是以太网头部，包括了自己的MAC地址和目标的MAC地址，然后就在网络上传输。最后到了用户B处就一层一层的解析，如果这条消息确实是发给自己的，那么B就可以收到。

TCP的效率和可靠性

前面我们提到过TCP中是有数据缓冲的，在客户端和服务端都有，因此TCP的效率就能够得到保障。



那可靠性呢？其实前面也提到过有一个叫序列号的东西，每一段发送的数据都对应了一个序列号。假如我们有一段10M的数据需要分开十次发送，那么我第一次发送肯定是从1-1024KB，服务端收到了之后会给我们一个确认应答1025，那么下次发送就是从1025-2048KB这一段数据。如此往复知道数据发送完毕。
可是网络是不可靠的。假设我们在发送1-1024这一段数据的时候发生了丢包，服务器根本没有收到，那么经过一段特定的时间之后我们就会再把从1-1024这段数据再发送一次。反过来1-1024发送过去了，服务器确认并给我们回复了1025，但是这时发送了丢包，我们没有收到服务器的确认消息，那么我们就会再发送一次1-1024。
刚刚也提到过了缓冲区域。当协商好了要如何发送数据的时候，我们可以认为就已经把这些缓冲区域划分好了。比如服务器的缓冲区域的大小刚好是也是10M，那么就会划分成1-1024，1025-2048，2048-2072......假设后发的1025-2048比1-1024先到了，那1025-2048还是会按照划分好的来存放，前面的1-1024会空出来，然后客户端会再发送，直到整个缓冲区满了，并且顺序也没问题，那么就会把数据交给上层。

TCP的窗口机制

定义

  1. 发送方和接收方都会维护一个数据帧的序列，这个序列就被称作窗口。
  2. 发送方的窗口大小由接收方确认

好处

  1. 确保数据不丢失，丢了的可以重发
  2. 控制发送速度，以免接收方因缓存不够大导致溢出，同时控制流量也可以避免网络拥堵。
    还按照上面的例子来讲述。如果在发送的过程中服务端觉得一次1024个KB这样来发太慢了，服务器缓存足够，觉得自己能一次处理2048个KB，那么服务端就会动态的把窗口大小调整为2048，客户端收到了之后也会调整窗口大小。反之服务器觉得一次1024KB处理不了，干脆一次500个KB吧，那么就会告知客户端来减少发送数据的大小。

UPD

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：

Socket

什么是Socket？

  1. 即通过Socket，我们才能在Andorid平台上通过 TCP/IP协议进行开发
  2. Socket不是一种协议，而是一个编程调用接口（API），属于传输层（主要解决数据如何在网络中传输）
  3. 成对出现，一对套接字

Socket通信步骤

Socket服务端的编写
 public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.创建一个服务器端Socket，即ServerSocket，指定绑定的端口，并监听此端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(12345);
        InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();
        String ip = address.getHostAddress();
        Socket socket = null;
        //2.调用accept()等待客户端连接
        System.out.println("~~~服务端已就绪，等待客户端接入~，服务端ip地址: " + ip);
        socket = serverSocket.accept();
        //3.连接后获取输入流，读取客户端信息
        InputStream is=null;
        InputStreamReader isr=null;
        BufferedReader br=null;
        OutputStream os=null;
        PrintWriter pw=null;
        is = socket.getInputStream();     //获取输入流
        isr = new InputStreamReader(is,"UTF-8");
        br = new BufferedReader(isr);
        String info = null;
        while((info=br.readLine())!=null){//循环读取客户端的信息
            System.out.println("客户端发送过来的信息" + info);
        }
        socket.shutdownInput();//关闭输入流
        socket.close();
    }
Socket客户端的编写
public static void main(String ... args) throws Exception{
        //1.创建客户端Socket，指定服务器地址和端口
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 12345);
        //2.获取输出流，向服务器端发送信息
        OutputStream os = socket.getOutputStream();//字节输出流
        PrintWriter pw = new PrintWriter(os);//将输出流包装为打印流
        //获取客户端的IP地址
        InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();
        String ip = address.getHostAddress();
        pw.write("客户端：~" + ip + "~ 接入服务器！！");
        pw.flush();
        socket.shutdownOutput();//关闭输出流
        socket.close();
    }
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