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7.6.1 Socket学习网络基础准备

本节引言：

为了照顾没学过Java Socket的初学者，或者说捋一捋Android开发中涉及到的网络协议相关的概念，毕竟面试的时候，面试官来了句给我说下网络协议有几层？那么IP协议在哪层？Socket是什么鬼？分哪几种？TCP和UDP协议又在哪层？有什么区别...嗯，这...所以学习本节概念性的理论还是很有必要的！那么话不多说，开始本节内容~

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。

——以上内容参考自：OSI七层模型详解

2.TCP/IP四层模型

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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

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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

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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：

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  • 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：

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  • 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：

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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

——上述内容部分摘自：

TCP/IP三次握手与四次挥手

TCP和UDP的区别（转）

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：

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~URL：这个就不用说了吧，忘了可以看会前面Http协议讲解那里~

本节小结：

本节全是概念，看起来可能够呛的是把，不过看不懂也没关系，知道七层模型每层叫什么，大概拿来干嘛，还有TCP三次握手和四次挥手，就可以了！当然，这只是为了应付面试~实际开发我们哪会纠结这个...直接Socket是吧~嗯，下节我们就来开始学习Android中的Socket通信~谢谢~

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