Java—网络编程相关概念

1. 概述

　　计算机网络是通过传输介质、通信设施和网络通信协议，把分散在不同地点的计算机设备互连起来的，实现资源共享和数据传输的系统。网络编程就是编写程序使互联网的两个（或多个）设备（如计算机）之间进行数据传输。Java语言对网络编程提供了良好的支持。通过其提供的接口我们可以很方便地进行网络编程。

2. 网络分层

　　计算机网络20世纪60年代出现，经历了20世纪70年代、80年代和90年代的发展，进入21世纪后，计算机网络已经成为信息社会的基础设施，深入到人类社会的方方面面，与人们的工作、学习和生活息息相关。计算机网络分为网络协议和网络体系结构。

2.1 网络体系结构

　　通过网络发送数据是一项复杂的操作，必须仔细地协调网络的物理特性以及所发送数据的逻辑特征。通过网络将数据从一台主机发送到另外的主机，这个过程是通过计算机网络通信来完成。

　　网络通信的不同方面被分解为多个层，层与层之间用接口连接。通信的双方具有相同的层次，层次实现的功能由协议数据单元（PDU）来描述。不同系统中的同一层构成对等层，对等层之间通过对等层协议进行通信，理解批次定义好的规则和约定。每一层表示为物理硬件（即线缆和电流）与所传输信息之间的不同抽象层次。在理论上，每一层只与紧挨其上和其下的层对话。将网络分层，这样就可以修改甚至替换某一层的软件，只要层与层之间的接口保持不变，就不会影响到其他层。

　　计算机网络体系结构是计算机网络层次和协议的集合，网络体系结构对计算机网络实现的功能，以及网络协议、层次、接口和服务进行了描述，但并不涉及具体的实现。接口是同一节点内相邻层之间交换信息的连接处，也叫服务访问点（SAP）。

　　　　　　　　　　　　　　　　计算机网络层次模型

　　世界上第一个网络体系结构由IBM公司提出（1974年，SNA），以后其他公司也相继提出自己的网络体系结构。为了促进计算机网络的发展，国际标准化组织ISO在现有网络的基础上，提出了不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构，称为开放系统互连参考模型，即OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model）。

　　ISO制定的OSI参考模型过于庞大、复杂招致了许多批评。与此相对，美国国防部提出了TCP/IP协议栈参考模型，简化了OSI参考模型，由于TCP/IP协议栈的简单，获得了广泛的应用，并成为后续因特网使用的参考模型。

2.1.1 OSI参考模型

这里首先介绍OSI参考模型。OSI模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

物理层

　　物理层处于OSI的最底层，是整个开放系统的基础。物理层涉及通信信道上传输的原始比特流（bits），它的功能主要是为数据端设备提供传送数据的通路以及传输数据。

数据链路层

　　数据链路层的主要任务是实现计算机网络中相邻节点之间的可靠传输，把原始的、有差错的物理传输线加上数据链路协议以后，构成逻辑上可靠的数据链路。需要完成的功能有链路管理、成帧、差错控制以及流量控制等。其中成帧是对物理层的原始比特流进行界定，数据链路层也能够对帧的丢失进行处理。

网络层

　　网络层涉及源主机节点到目的主机节点之间可靠的网络传输，它需要完成的功能主要包括路由选择、网络寻址、流量控制、拥塞控制、网络互连等。

传输层

　　传输层起着承上启下的作用，涉及源端节点到目的端节点之间可靠的信息传输。传输层需要解决跨越网络连接的建立和释放，对底层不可靠的网络，建立连接时需要三次握手，释放连接时需要四次挥手。　　

会话层和表示层

　　会话层的主要功能是负责应用程序之间建立、维持和中断会话，同时也提供对设备和结点之间的会话控制，协调系统和服务之间的交流，并通过提供单工、半双工和全双工3种不同的通信方式，使系统和服务之间有序地进行通信。

　　表示层关心所传输数据信息的格式定义，其主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式，提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等的统一表示。

应用层

　　应用层为OSI的最高层，是直接为应用进程提供服务的。其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务。

2.1.2 TCP/IP参考模型

　　TCP/IP，即Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，是Internet最基本的协议，Internet国际互联网络的基础。

　　TCP/IP协议是一个开放的网络协议簇，它的名字主要取自最重要的网络层IP协议和传输层TCP协议。TCP/IP协议定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP/IP参考模型采用4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求，这4个层次分别是：网络接口层、网络层（IP层）、传输层（TCP层）、应用层。

网络接口层

　　TCP/IP协议对网络接口层没有给出具体的描述，网络接口层对应着OSI参考模型的物理层和数据链路层

网络层（IP层）

　　网络层是整个TCP/IP协议栈的核心。它的功能是把分组发往目标网络或主机。同时，为了尽快地发送分组，可能需要沿不同的路径同时进行分组传递。因此，分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，这就需要上层必须对分组进行排序。网络层除了需要完成路由的功能外，也可以完成将不同类型的网络（异构网）互连的任务。除此之外，互联网层还需要完成拥塞控制的功能。

传输层（TCP层）

　　TCP层负责在应用进程之间建立端到端的连接和可靠通信，它只存在与端节点中。TCP层涉及两个协议，TCP和UDP。其中，TCP协议提供面向连接的服务，提供按字节流的有序、可靠传输，可以实现连接管理、差错控制、流量控制、拥塞控制等。UDP协议提供无连接的服务，用于不需要或无法实现面向连接的网络应用中。

应用层

　　应用层为Internet中的各种网络应用提供服务。

2.2 网络协议

　　如同人与人之间相互交流是需要遵循一定的规则（如语言）一样，计算机之间能够进行相互通信是因为它们都共同遵守一定的规则，即网络协议。

　　OSI参考模型和TCP/IP模型在不同的层次中有许多不同的网络协议，如图所示：

　　网络协议之间的关系图如下：

2.2.1 IP协议（Internet protocol）

　　IP协议的作用在于把各种数据包准备无误的传递给对方，其中两个重要的条件是IP地址和MAC地址。由于IP地址是稀有资源，不可能每个人都拥有一个IP地址，所以我们通常的IP地址是路由器给我们生成的IP地址，路由器里面会记录我们的MAC地址。而MAC地址是全球唯一的。举例，IP地址就如同是我们居住小区的地址，而MAC地址就是我们住的那栋楼那个房间那个人。IP地址采用的IPv4格式，目前正在向IPv6过渡。

2.2.2 TCP协议（Transmission Control Protocol）

　　TCP（传输控制协议）是面向连接的传输层协议。TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。TCP协议采用字节流传输数据。

2.2.2.1 TCP的报文格式

　　TCP报文段包括协议首部和数据两部分，协议首部的固定部分是20个字节，首部的固定部分后面是选项部分。

　　下面是报文段首部各个字段的含义：

源端口号以及目的端口号：各占2个字节，端口是传输层和应用层的服务接口，用于寻找发送端和接收端的进程，一般来讲，通过端口号和IP地址，可以唯一确定一个TCP连接，在网络编程中，通常被称为一个socket接口。

序号：Seq序号，占4个字节、32位。用来标识从TCP发送端向TCP接收端发送的数据字节流。发起方发送数据时对此进行标记。

确认序号：Ack序号，占4个字节、32位。包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。只有ACK标记位为1时，确认序号字段才有效，因此，确认序号应该是上次已经成功收到数据字节序号加1，即Ack=Seq + 1。

数据偏移：占4个字节，用于指出TCP首部长度，若不存在选项，则这个值为20字节，数据偏移的最大值为60字节。

保留字段占6位，暂时可忽略，值全为0。

标志位，6个

URG(紧急)：为1时表明紧急指针字段有效

ACK(确认)：为1时表明确认号字段有效

PSH(推送)：为1时接收方应尽快将这个报文段交给应用层

RST(复位)：为1时表明TCP连接出现故障必须重建连接

SYN(同步)：在连接建立时用来同步序号

FIN(终止)：为1时表明发送端数据发送完毕要求释放连接

接收窗口：占2个字节，用于流量控制和拥塞控制，表示当前接收缓冲区的大小。在计算机网络中，通常是用接收方的接收能力的大小来控制发送方的数据发送量。TCP连接的一端根据缓冲区大小确定自己的接收窗口值，告诉对方，使对方可以确定发送数据的字节数。

校验和：占2个字节，范围包括首部和数据两部分。

选项是可选的，默认情况是不选。

2.2.2.2 三次握手与四次挥手

　　TCP是面向连接的协议，因此每个TCP连接都有3个阶段：连接建立、数据传送和连接释放。连接建立经历三个步骤，通常称为“三次握手”。

　　TCP三次握手过程如下：

　　1. 第一次握手（客户端发送请求）

　　客户机发送连接请求报文段到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。发送连接请求报文段内容：SYN=1，seq=x；SYN=1意思是一个TCP的SYN标志位置为1的包，指明客户端打算连接的服务器的端口；seq=x表示客户端初始序号x，保存在包头的序列号（Sequence Number）字段里。

　　2. 第二次握手（服务端回传确认）

　　服务器收到客户端连接请求报文，如果同意建立连接，向客户机发回确认报文段（ACK）应答，并为该TCP连接分配TCP缓存和变量。服务器发回确认报文段内容：SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1；SYN标志位和ACK标志位均为1，同时将确认序号（Acknowledgement Number）设置为客户的ISN加1，即x+1；seq=y为服务端初始序号y。

　　3. 第三次握手（客户端回传确认）

　　客户机收到服务器的确认报文段后，向服务器给出确认报文段（ACK），并且也要给该连接分配缓存和变量。此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。客户端发回确认报文段内容：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1；ACK=1为确认报文段；seq=x+1为客户端序号加1；ack=y+1,为服务器发来的ACK的初始序号字段+1。

　　注意：握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。

　　TCP四次挥手过程如下：

　　由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

　　1. TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。发送报文段内容：FIN=1，seq=u；FIN=1表示请求切断连接；seq=u为客户端请求初始序号。

　　2. 服务端收到这个FIN，它发回一个ACK给客户端，确认序号为收到的序号加1。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号；服务端进入CLOSE_WAIT状态。发送报文段内容：ACK=1，seq=v，ack=u+1；ACK=1为确认报文；seq=v为

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