Java基礎系列：計算機網絡基礎概念

時間 2021-02-17

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俗世遊子：專一技術研究的程序猿html

網絡

大部分狀況下，作開發的程序猿是是不須要和網絡打交道的，就好比本人：工做這麼多年，去年年初作過一次系統架構，作負載均衡的時候順帶了解了一下這方面的基礎知識，其餘時候根本用不到。java

咱們如今就來簡單聊一聊，簡單到什麼程度：面試

開發涉及到網絡IO方面的問題能知道該怎麼解決，
面試能說個七七八八就夠了

基本知識

首先咱們先要明白什麼是網絡：算法

不負責任的說，網絡是網絡是由若干節點和鏈接這些節點的鏈路構成，而這些物理鏈路將多臺計算機鏈接在一塊兒，組成了咱們如今的互聯網瀏覽器

促進網絡產生的先決條件：緩存

芯片技術

要知道，世界上第一臺計算機有一個教室那麼大，直到集成電路的產生，將電路作到一塊完整的半導體硅板上，計算機的體積才降低下來安全

網絡理論自己

第二個條件就是網絡理論自己，咱們如今知道，網絡自己分爲不少節點，各個節點之間相互關聯，咱們從起點A發送數據到終點B，發送的數據在網絡中會拆分紅小包，因爲光電傳輸是很是快的，因此在數據包在網絡中傳輸的時候會經過不一樣的路線到達終點B，而後在終點B中進行合併服務器

在這個理論中，兩我的的貢獻很是大：微信

Paul Baran 提出的分佈式可適應信息塊交換集成電路
Donald Davies 提出的封包交換

二者說的是一個問題，就是封包交換算法，解決數據如何從一個點經過複雜網絡到達另外一個點的問題網絡

材料的發展

在1858年的跨大西洋同軸電纜，每分鐘傳輸120個字，而咱們如今採用的雙絞線電纜，經過導線兩兩纏繞，抵消掉信號的干擾，而不一樣材料傳輸速度也不一樣。目前咱們市面上的傳輸速度已經能到達到100Mbps，還有比這個更快的，可以快10倍

而光纖採用的是光傳輸，能量在用光傳輸的時候損耗較低，因此速度最快，可以達到10Gbps

軟件應用行業的發展

應用的不斷髮展也形成了網絡的發展，包括如今的5G，衛星上網

網絡模型

隨着網絡的出現，再加上當時商業力量的介入，網絡獲得的大力的發展，出現了OSI網絡模型，即開放式系統互聯模型，它是國際標準組織的一次偉大嘗試，也是世界上第一個試圖在世界範圍內規範網絡標準的框架

七層模型

模型從上向下分別爲：

應用層

也就是咱們日常使用的客戶端，好比微信發送消息，瀏覽器請求地址等等，這裏只負責將請求數據發送出去

表示層

負責協商用於傳輸的數據格式，並轉換數據格式。好比如今說的HTTP協議，數據量太大的話，數據壓縮在這一層，HTTPS數據加密也在這一層完成

會話層

負責管理兩個聯網實體間的網絡，好比客戶端和服務器端產生的鏈接，這條鏈接維持客戶端和服務器端的通訊，而後等到鏈接斷開的時候釋放連接

傳輸層

從傳輸層開始，將負責數據的拆成一個個小包，而後將小包進行封包，並將數據從一個實體（服務器或者應用）發送到另外一個實體，可是並不負責數據的傳輸方式

同時在傳輸層還有如下功能：

當數據在傳輸過程當中出現問題後採起方式進行糾正，重發或者其餘方式
控制傳輸數據的速率
端口尋址，標明參與傳輸的實體的端口號

網絡層

負責把封包從一個IP地址傳輸到另外一個IP地址，這裏的核心就是路由算法。須要經過路由算法獲得下一個節點的地址

數據鏈路層

在這一層確保兩個臨近設備間數據的傳輸，並隱藏底層實現，同時還須要協調傳輸時速率問題

物理層

真正須要發送數據的實際手段，好比：網線，光纖等等的物理方式

看下面的圖，用實際例子來理解一下：

須要注意的是，OSI模型是沒有實際可行的方案

TCPIP協議

實際上，OSI模型仍是存在一些問題好比說:

咱們在命令行經過ping來測試一個網絡，根據咱們對7層網絡模型的認識，這種程序對於會話層和表示層並非必須的，

並且因爲OSI模型在當時並無實際可行的方案，因此羅伯特.卡恩和文頓.頓瑟夫提出了TCP協議，對比OSI模型只有5層，並且在1975年作了成功的實驗，因此從這一點上TCP協議比OSI模型更容易讓你們接受

它只有5層：

應用層

這裏不變，也是將數據發送出去的過程

傳輸控制層

解決主機到主機之間的傳輸，在這裏經常使用的也就是咱們耳熟能詳的TCP協議和UDP協議

網絡層

在這一層提供了路由和尋址，經過路由斷定和下一跳機制獲得下一個要發送出去的節點

數據鏈路層

兩個節點之間的物理鏈接，在這裏對數據再次封包發送，經常使用的就是ARP協議

物理層

物理層和OSI模型不變

深刻理解

下面咱們來聊一聊在各個層面上咱們常用的協議

應用層協議：HTTP協議

基本概念

HTTP協議，也叫超文本傳輸協議，是處理客戶端和服務器端之間通訊的一種協議，在HTTP協議中的的請求頭和返回體都包含相同的數據格式：

Request

GET / HTTP/1.1
Host: http://www.baidu.com
...

<消息請求body>

Response

GET HTTP/1.1 200 ok
...

<返回體>

在Request和Response中包含不少的屬性

只要咱們可以按照HTTP指定的協議返回，那麼咱們也能夠本身實現一個Http服務器，好比：

public class RawHttpSocket {

    private ServerSocket serverSocket;
    Function<String, String> handler;

    public RawHttpSocket(Function<String, String> handler) {
        this.handler = handler;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String body = "<html><head></head><body><pre style=\"word-wrap: break-word; white-space: pre-wrap;\"><h1>Hello world!</h1>\n" +
                "</pre></body></html>";

        RawHttpSocket rawHttpSocket = new RawHttpSocket((str) -> {
            System.out.println(str);
            // 第一個 \n 是header結尾 第二個 \n 是header和body的分段
            return "HTTP/1.1 200 ok\n\n"+body+"\n";
        });
        rawHttpSocket.listener(9000);
    }

    private void listener(int port) throws IOException {
        // 創建ServerSocket，綁定端口
        serverSocket = new ServerSocket(port);
        while (true) {
            // 等待Socket創建鏈接
            Socket socket = serverSocket.accept();
            new Thread(() -> {
                try {
                    // 處理請求
                    this.accpet(socket);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }

    private void accpet(Socket socket) throws IOException {

        System.out.println("a socket created");

        // 讀取到請求數據
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        String line = "";
        StringBuffer requestBuffer = new StringBuffer();
        // line有可能出現null common-lang3下的工具類：StringUtil
        while (StringUtil.isNotBlank((line = reader.readLine()))) {
            requestBuffer.append(line).append("\n");
        }
        String request = requestBuffer.toString();

        // 返回數據
        BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
        String response = handler.apply(request);
        writer.write(response);
        writer.flush();
        socket.close();
    }

}