网络编程-架构师必懂的 ——网络编程基本常识

网络编程-架构师必懂的  ——网络编程基本常识

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一网络编程、什么是网络模型 网络编程的本质是两个设备之间的数据交换,当然,在计算机网络中,设备主要指计算机。数据传递本身没有多大的难度,不就是把一个设备中的数据发送给另外一个设备,然后接收另外一个设备反馈的数据。现在的网络编程基本上都是基于请求/响应方式的,也就是一个设备发送请求数据给另外一个,然后接收另一个设备的反馈。

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  在网络编程中,发起连接程序,也就是发送第一次请求的程序,被称作客户端(Client),等待其他程序连接的程序被称作服务器(Server)。客户端程序可以在需要的时候启动,而服务器为了能够时刻相应连接,则需要一直启动。例如以打电话为例,首先拨号的人类似于客户端,接听电话的人必须保持电话畅通类似于服务器。连接一旦建立以后,就客户端和服务器端就可以进行数据传递了,而且两者的身份是等价的。在一些程序中,程序既有客户端功能也有服务器端功能,最常见的软件就是BT、emule这类软件了。

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二、什么是IP地址与域名 在现实生活中,如果要打电话则需要知道对应人的电话号码,如果要寄信则需要知道收信人的地址。在网络中也是这样,需要知道一个设备的位置,则需要使用该设备的IP地址,具体的连接过程由硬件实现,程序员不需要过多的关心。

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  IP地址是一个规定,现在使用的是IPv4,既由4个0-255之间的数字组成,在计算机内部存储时只需要4个字节即可。在计算机中,IP地址是分配给网卡的,每个网卡有一个唯一的IP地址,如果一个计算机有多个网卡,则该台计算机则拥有多个不同的IP地址,在同一个网络内部,IP地址不能相同。IP地址的概念类似于电话号码、身份证这样的概念。

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  由于IP地址不方便记忆,所以有专门创造了域名(Domain Name)的概念,其实就是给IP取一个字符的名字,例如163.com、sina.com等。IP和域名之间存在一定的对应关系。如果把IP地址类比成身份证号的话,那么域名就是你的姓名。

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  其实在网络中只能使用IP地址进行数据传输,所以在传输以前,需要把域名转换为IP,这个由称作DNS的服务器专门来完成。所以在网络编程中,可以使用IP或域名来标识网络上的一台设备。

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三、什么是端口?

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为了在一台设备上可以运行多个程序,人为的设计了端口(Port)的概念,类似的例子是公司内部的分机号码。规定一个设备有2的16次方个,也就是65536个端口,每个端口对应一个唯一的程序。每个网络程序,无论是客户端还是服务器端,都对应一个或多个特定的端口号。由于0-1024之间多被操作系统占用,所以实际编程时一般采用1024以后的端口号。

  使用端口号,可以找到一台设备上唯一的一个程序。所以如果需要和某台计算机建立连接的话,只需要知道IP地址或域名即可,但是如果想和该台计算机上的某个程序交换数据的话,还必须知道该程序使用的端口号。

因此,网络编程就是使用IP地址,或域名,和端口连接到另一台计算机上对应的程序,按照规定的协议(数据格式)来交换数据,实际编程中建立连接和发送、接收数据在语言级已经实现,做的更多的工作是设计协议,以及编写生成和解析数据的代码罢了,然后把数据转换成逻辑的结构显示或控制逻辑即可。对于初学者,或者没有接触过网络编程的程序员,会觉得网络编程涉及的知识很高深,很难,其实这是一种误解,当你的语法熟悉以后,其实基本的网络编程现在已经被实现的异常简单了。

网络编程

四、什么是Socket? Socket就是为网络服务提供的一种机制。通讯的两端都有Sokcet,网络通讯其实就是Sokcet间的通讯,数据在两个Sokcet间通过IO传输。

五、什么是TCP? 当一台计算机想要与另一台计算机通讯时,两台计算机之间的通信需要畅通且可靠,这样才能保证正确收发数据。例如,当你想查看网页或查看电子邮件时,希望完整且按顺序查看网页,而不丢失任何内容。当你下载文件时,希望获得的是完整的文件,而不仅仅是文件的一部分,因为如果数据丢失或乱序,都不是你希望得到的结果,于是就用到了TCP。

TCP协议全称是传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议,由 IETF 的RFC 793定义。TCP 是面向连接的、可靠的流协议。流就是指不间断的数据结构,你可以把它想象成排水管中的水流。

1. TCP连接过程如下图所示,可以看到建立一个TCP连接的过程为(三次握手的过程):

第一次握手

客户端向服务端发送连接请求报文段。该报文段中包含自身的数据通讯初始序号。请求发送后,客户端便进入 SYN-SENT 状态。

第二次握手

服务端收到连接请求报文段后,如果同意连接,则会发送一个应答,该应答中也会包含自身的数据通讯初始序号,发送完成后便进入 SYN-RECEIVED 状态。

第三次握手

当客户端收到连接同意的应答后,还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入 ESTABLISHED 状态,服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态,此时连接建立成功。

这里可能大家会有个疑惑:为什么 TCP 建立连接需要三次握手,而不是两次?这是因为这是为了防止出现失效的连接请求报文段被服务端接收的情况,从而产生错误。

2. TCP断开链接

TCP 是全双工的,在断开连接时两端都需要发送 FIN 和 ACK。

第一次握手

若客户端 A 认为数据发送完成,则它需要向服务端 B 发送连接释放请求。

第二次握手

B 收到连接释放请求后,会告诉应用层要释放 TCP 链接。然后会发送 ACK 包,并进入 CLOSE_WAIT 状态,此时表明 A 到 B 的连接已经释放,不再接收 A 发的数据了。但是因为 TCP 连接是双向的,所以 B 仍旧可以发送数据给 A。

第三次握手

B 如果此时还有没发完的数据会继续发送,完毕后会向 A 发送连接释放请求,然后 B 便进入 LAST-ACK 状态。

第四次握手

A 收到释放请求后,向 B 发送确认应答,此时 A 进入 TIME-WAIT 状态。该状态会持续 2MSL(最大段生存期,指报文段在网络中生存的时间,超时会被抛弃) 时间,若该时间段内没有 B 的重发请求的话,就进入 CLOSED 状态。当 B 收到确认应答后,也便进入 CLOSED 状态。

3. TCP协议的特点面向连接面向连接,是指发送数据之前必须在两端建立连接。建立连接的方法是“三次握手”,这样能建立可靠的连接。建立连接,是为数据的可靠传输打下了基础。仅支持单播传输每条TCP传输连接只能有两个端点,只能进行点对点的数据传输,不支持多播和广播传输方式。

面向字节流TCP不像UDP一样那样一个个报文独立地传输,而是在不保留报文边界的情况下以字节流方式进行传输。

可靠传输对于可靠传输,判断丢包,误码靠的是TCP的段编号以及确认号。TCP为了保证报文传输的可靠,就给每个包一个序号,同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK);如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认,那么对应的数据(假设丢失了)将会被重传。提供拥塞控制当网络出现拥塞的时候,TCP能够减小向网络注入数据的速率和数量,缓解拥塞

TCP提供全双工通信TCP允许通信双方的应用程序在任何时候都能发送数据,因为TCP连接的两端都设有缓存,用来临时存放双向通信的数据。当然,TCP可以立即发送一个数据段,也可以缓存一段时间以便一次发送更多的数据段(最大的数据段大小取决于MSS)

六、什么是UDP?UDP协议全称是用户数据报协议,在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包,是一种无连接的协议。在OSI模型中,在第四层——传输层,处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点,也就是说,当报文发送之后,是无法得知其是否安全完整到达的。

它有以下几个特点:

1. 面向无连接首先 UDP 是不需要和 TCP一样在发送数据前进行三次握手建立连接的,想发数据就可以开始发送了。并且也只是数据报文的搬运工,不会对数据报文进行任何拆分和拼接操作。

具体来说就是:

在发送端,应用层将数据传递给传输层的 UDP 协议,UDP 只会给数据增加一个 UDP 头标识下是 UDP 协议,然后就传递给网络层了在接收端,网络层将数据传递给传输层,UDP 只去除 IP 报文头就传递给应用层,不会任何拼接操作2. 有单播,多播,广播的功能UDP 不止支持一对一的传输方式,同样支持一对多,多对多,多对一的方式,也就是说 UDP 提供了单播,多播,广播的功能。

3. UDP是面向报文的发送方的UDP对应用程序交下来的报文,在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文,既不合并,也不拆分,而是保留这些报文的边界。因此,应用程序必须选择合适大小的报文

4. 不可靠性首先不可靠性体现在无连接上,通信都不需要建立连接,想发就发,这样的情况肯定不可靠。并且收到什么数据就传递什么数据,并且也不会备份数据,发送数据也不会关心对方是否已经正确接收到数据了。再者网络环境时好时坏,但是 UDP 因为没有拥塞控制,一直会以恒定的速度发送数据。即使网络条件不好,也不会对发送速率进行调整。这样实现的弊端就是在网络条件不好的情况下可能会导致丢包,但是优点也很明显,在某些实时性要求高的场景(比如电话会议)就需要使用 UDP 而不是 TCP。

从上面的动态图可以得知,UDP只会把想发的数据报文一股脑的丢给对方,并不在意数据有无安全完整到达。

5. 头部开销小,传输数据报文时是很高效的。

UDP 头部包含了以下几个数据:

两个十六位的端口号,分别为源端口(可选字段)和目标端口整个数据报文的长度整个数据报文的检验和(IPv4 可选 字段),该字段用于发现头部信息和数据中的错误因此 UDP 的头部开销小,只有八字节,相比 TCP 的至少二十字节要少得多,在传输数据报文时是很高效的

七、TCP/UDP区别

对比

总结TCP向上层提供面向连接的可靠服务 ,UDP向上层提供无连接不可靠服务,虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确,但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为,对数据准确性要求高,速度可以相对较慢的,可以选用TCP。

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作者: 小易

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