网络编程（一）网络编程基础
OSI 七层模型
| 层数 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| 7 | 应用层 | 网络服务与最终用户的一个接口 |
| 6 | 表示层 | 把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式 |
| 5 | 会话层 | 建立、管理、终止会话。 |
| 4 | 传输层 | 定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验 |
| 3 | 网络层 | 路由选择和中继，在一条数据链路上复用多条网络连接 |
| 2 | 数据链路层 | 数据链路的建立，拆除，对数据的检错，纠错是数据链路层的基本任务。 |
| 1 | 物理层 | 物理层并不是物理媒体本身，它只是开放系统中利用物理媒体实现物理连接的功能，描述和执行连接的程序 |
TCP/IP 协议
| OSI 七层模型 | TCP/IP 概念层模型 | 功能 | TCP/IP 协议族 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 | 文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端 | tftp、http、snmp、ftp、smtp、dns、telnet |
| 表示层 | 应用层 | 数据格式化，代码转换，数据加密 | 没有协议 |
| 会话层 | 应用层 | 解除或建立与别的节点的联系 | 没有协议 |
| 传输层 | 传输层 | 提供端对端的接口 | tcp、udp |
| 网络层 | 网络层 | 为数据包选择路由 | ip、icmp、rip、ospf、bcp、icmp |
| 数据链路层 | 链路层 | 传输有地址的帧以及错误检测功能 | slip、cslip、ppp、arp、rarp、mtu |
| 物理层 | 链路层 | 以二进制数据形式在物理媒体上传输数据 | iso2110、ieee802、ieee802.2 |
数据传输过程
IP 包结构是这样的：
TCP 的包结构：
基于 TCP 和 UDP 的数据封装及解析示例如下：
TCP 和 UDP
TCP
TCP 是面向连接的、可靠的流协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接。
三次握手
- B 的 TCP 服务器进程先创建传输控制块 TCB，准备接受客户进程的连接请求。然后服务器进程就处于 LISTEN（收听）状态，等待客户的连接请求。若有，则作出响应。
- 1）第一次握手：A 的 TCP 客户进程也是首先创建传输控制块 TCB，然后向 B 发出连接请求报文段，（首部的同步位 SYN=1**，初始序号 seq=x），（SYN=1 的报文段不能携带数据）但要消耗掉一个序号，此时 TCP 客户进程进入 SYN-SENT（同步已发送）状态。
- 2）第二次握手：**B 收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向 A 发送确认，在确认报文段中（SYN=1，ACK=1，确认号 ack=x+1，初始序号 seq=y），测试 TCP 服务器进程进入 SYN-RCVD（同步收到）状态；
- 3）第三次握手：**TCP 客户进程收到 B 的确认后，要向 B 给出确认报文段（ACK=1，确认号 ack=y+1，序号 seq=x+1）（初始为 seq=x，第二个报文段所以要 +1），ACK 报文段可以携带数据，不携带数据则不消耗序号。TCP 连接已经建立，A 进入 ESTABLISHED（已建立连接）。
- 当 B 收到 A 的确认后，也进入 ESTABLISHED 状态。
总结三次握手过程：
- 第一次握手：起初两端都处于 CLOSED 关闭状态，Client 将标志位 SYN 置为 1，随机产生一个值 seq=x，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 得知 Client 请求建立连接，Server 将标志位 SYN 和 ACK 都置为 1，ack=x+1，随机产生一个值 seq=y，并将该数据包发送给 Client 以确认连接请求，Server 进入 SYN-RCVD 状态，此时操作系统为该 TCP 连接分配 TCP 缓存和变量；
- 第三次握手：Client 收到确认后，检查 ack 是否为 x+1，ACK 是否为 1，如果正确则将标志位 ACK 置为 1，ack=y+1，并且此时操作系统为该 TCP 连接分配 TCP 缓存和变量，并将该数据包发送给 Server，Server 检查 ack 是否为 y+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 和 Server 就可以开始传输数据。
四次挥手
- 1）A 的应用进程先向其 TCP 发出连接释放报文段（FIN=1，序号 seq=u），并停止再发送数据，主动关闭 TCP 连接，进入 FIN-WAIT-1（终止等待 1）状态，等待 B 的确认。
- 2）B 收到连接释放报文段后即发出确认报文段，（ACK=1，确认号 ack=u+1，序号 seq=v），B 进入 CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，此时的 TCP 处于半关闭状态，A 到 B 的连接释放。
- 3）A 收到 B 的确认后，进入 FIN-WAIT-2（终止等待 2）状态，等待 B 发出的连接释放报文段。
- 4）B 没有要向 A 发出的数据，B 发出连接释放报文段（**FIN=1，ACK=1，序号 seq=w，确认号 ack=u+1），**B 进入 LAST-ACK（最后确认）状态，等待 A 的确认。
- 5）A 收到 B 的连接释放报文段后，对此发出确认报文段（ACK=1，seq=u+1，ack=w+1），A 进入 TIME-WAIT（时间等待）状态。此时 TCP 未释放掉，需要经过时间等待计时器设置的时间 2MSL 后，A 才进入 CLOSED 状态。
总结四次挥手过程：
起初 A 和 B 处于ESTABLISHED 状态——A 发出连接释放报文段并处于FIN-WAIT-1 状态——B 发出确认报文段且进入CLOSE-WAIT 状态——A 收到确认后，进入FIN-WAIT-2 状态，等待 B 的连接释放报文段——B 没有要向 A 发出的数据，B 发出连接释放报文段且进入LAST-ACK 状态——A 发出确认报文段且进入TIME-WAIT 状态——B 收到确认报文段后进入CLOSED 状态——A 经过等待计时器时间 2MSL 后，进入CLOSED 状态。
UDP
UDP 是面向无连接的通讯协议，UDP 通讯时不需要接收方确认，属于不可靠的传输，可能会出现丢包现象。
TCP 与 UDP 对比
| TCP | UDP |
|---|---|
| 通信双方需要建立并维持连接，占用一定的系统资源 | 通信双方不需要建立连接，占用的系资源少 |
| 传输数据可靠，丢包很少发生 | 传输数据不可靠，丢包属于正常现象，丢包时会重传 |
| 与 TCP 相比，传输效率高，通讯速度快 | |
| 对传输质量要求较高时使用 TCP 协议 | 对传输质量要求不高，要求传输速度更快时使用 UDP 协议 |
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，它也被称为程序地址。
Socket
Socket 是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。
JAVA 中实现通信的 IO 主要是：同步阻塞 IO（BIO）、同步非阻塞 IO（NIO）、异步非阻塞 IO（AIO）。
同步和异步，阻塞和非阻塞
同步和异步关注结果是否立即返回；
阻塞和非阻塞关注调用方是否等待结果返回。
linux 下的五种 I/O 模型
(1) 阻塞 I/O (Blocking I/O)
从上图可以看到在整个过程中，当用户进程进行系统调用时，内核就开始了 I/O 的第一个阶段，准备数据到缓冲区中，当数据都准备完成后，则将数据从内核缓冲区中拷贝到用户进程的内存中，这时用户进程才解除 block 的状态重新运行。
所以，Blocking I/O 的特点就是在 I/O 执行的两个阶段都被 block 了。
(2) 非阻塞 I/O (Non-Blocking I/O)
从上图可以看到在 I/O 执行的两个阶段中，用户进程只有在第二个阶段被阻塞了，而第一个阶段没有阻塞，但是在第一个阶段中，用户进程需要盲等，不停的去轮询内核，看数据是否准备好了，因此该模型是比较消耗 CPU 的。
(3) I/O 复用（I/O Multiplexing)
从上图可以看到在 I/O 复用模型中，I/O 执行的两个阶段都是用户进程都是阻塞的，但是两个阶段是独立的，在一次完整的 I/O 操作中，该用户进程是发起了两次系统调用。
(4) 信号驱动的 I/O (Signal Driven I/O)
该模型也叫作基于事件驱动的 I/O 模型，可以看到该模型中，只有在 I/O 执行的第二阶段阻塞了用户进程，而在第一阶段是没有阻塞的。
乍看起来感觉和非阻塞模型很相似，其实不同之处就在于，该模型在 I/O 执行的第一阶段，当数据准备完成之后，会主动的通知用户进程数据已经准备完成，即对用户进程做一个回调。该通知分为两种，一为水平触发，即如果用户进程不响应则会一直发送通知，二为边缘触发，即只通知一次。
(5) 异步 I/O (Asynchrnous I/O)
在该模型中，当用户进程发起系统调用后，立刻就可以开始去做其它的事情，然后直到 I/O 执行的两个阶段都完成之后，内核会给用户进程发送通知，告诉用户进程操作已经完成了。