【JavaEE初阶】网络原理|认识协议|协议分层|TCP/IP模型|封装和分用

目录

一、认识协议

1.概念

2.作用（为什么需要协议？）

二、协议分层

1.为什么需要⽹络协议的分层？

2. 协议分层是什么

3.分层带来的好处

三、TCP/IP五层（或四层）模型

（1）物理层

（2）数据链路层

（3）网络层

（4）传输层

（5）应用层

四、封装和分用（协议的层和层之间是如何配合工作的？）

1.封装（和Java面向对象的封装，不是一个封装）

2.分用

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一、认识协议

1.概念

简单来说：就是一种通信双方，对于通信规则的约定（标准），一定是通信双方都认可的

但是这个协议不一定是认可面非常广的，即使是两个人之间的也可叫做协议

就好⽐⻅⽹友，彼此协商胸⼝插⽀玫瑰花⻅⾯，这就是⼀种提前的约定，也可以称之为协议

2.作用（为什么需要协议？）

两个用来通信的主机设备有着不同的硬件，不同的操作系统，不同的应用程序，有了协议，即使上述内容不同，通信也能正常进行

进行网络通信的时候，通信协议是非常关键的环节

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二、协议分层

1.为什么需要⽹络协议的分层？

网络通信是一个非常复杂的事情，这个过程涉及到很多细节问题

如果你使用一个协议来约定上述所以的细节，这个协议就会非常的庞大，非常的复杂

——>拆分:为了管理复杂程度，不要让这个东西太复杂，每个部分负责一个功能

这样一个功能复杂的协议，就拆分成多个功能更单一的协议了

但是拆出来的协议太多了，就要对这个协议进行分类，甚至要“分层”

2. 协议分层是什么

协议分层：把很多的协议，按照功能分成不同的层级，每个层级都有对应的主线任务（目标/要解决的问题），上层协议会调用下层协议的功能，下层协议会给上次协议提供服务

注意：不能“越级调用”

3.分层带来的好处

好处主要有两个方面：

（1）封装的效果：某层协议，不必知道其他层协议的细节，降低学习使用成本

eg：只要会说汉语，不需要理解电话的工作原理，就能打电话；

        设计电话的人，可能是老外，不必懂汉语，也不妨碍他设计开发电话

（2）任意层次的协议，都是可以灵活替换的（也就是解耦合），这样就给整个网络体系，升级迭代，带来了很大的便利

eg：将电话机协议改为无线电协议：站在使用者的角度，完全感知不到任何的区别，电话该咋打还是咋打；

        将汉语协议改为英语协议：虽然语言变了，电话这一层，没有任何影响，设计电话的人不需要针对“英语”做任何的改变和特殊处理

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当前网络的现状，就是有很多的协议，这些协议就是按照一定的分层规则组织起来的，业内普遍的分层方式有两种：

（1）OSI七层模型：

只是存在于教科书上，实际客观世界中并不存在，因为它搞得有点复杂（这里就不作介绍了）

（2）TCP/IP五层（或四层）模型：

可以认为是OSI的简化版本，就是真实世界采取的网络分成模型，目前接触到的网络，大部分都是TCP/IP模型的（电脑上网），当然，也有不是的，eg：4G/5G通信，就是一套专门的模型协议（手机流量上网）

三、TCP/IP五层（或四层）模型

（1）物理层

硬件层面上的相关约定，网线，网口

eg：金工实习，8根铜线穿到一起，接上水晶头，这样的一些接线规则

下面（2）（3）（4）以快递为例介绍 

（2）数据链路层

关注的是通信过程中，两个相邻节点之间的通信

eg：快递具体运输的，这是快递员自行进行确定的

例如，当前路线:
上海 -> 苏州 -> 南京 -> 西安
上海 -> 苏州大卡车 就运过去,有一个开着打开车的快递小哥
苏州 ->南京轮船,沿着长江,一路逆流而上,有一个开着船的快递小哥,
南京 ->西安 铁路 装上火车
西安 ->我家门口 电三轮

每个节点之间的运输方式，就相当于数据链路层

（3）网络层

关注的是通信中，通信路径的规划，规划出的路径就决定了，数据要经过哪些节点“点到点的传输”

eg：商家发货,就会把快递交给快递小哥,就会拿到快递公司,
快递公司,就会对这些包衷,进行分拣~~根据快递的目的地，分配到不同的运输线路上
发货地点是在 上海.如果收件地点是在西安
上海 -> 南京 ->西安
上海 -> 无锡 ->西安
上海 -> 徐州 ->西安
快递公司,就会把路线规划好,包裏就会按照这样的既定路线进行传输

（4）传输层

关注的是通信双方的“起点”和“终点”，“端到端的传输”

eg：我和商家，我们俩只关注，发件人信息，和收件人信息（也就相当于起点和终点）

（5）应用层

和具体应用程序直接相关，传输的数据是干啥用的，如何用的，有啥意义

eg：我在淘宝上还是买了个东西,买了个床刷子~~
我拿着这个床刷子要干啥~~ 就是我需要关心的, 快递公司/商家,都是不关心的~~当我拿到刷子之后,用来刷床,还是用来刷沙发, 还是用来打儿子~~就是我自己来决定了~

 也有人把上述通信协议分层的模型，称为TCP/IP四层（没算物理层）

站在程序员的角度，物理层是纯硬件，其余的四层还是软件

但是物理层又和数据链路层联系紧密，所以有时也算五层

对于OSI模型：只是将TCP/IP模型中的应用层细分为应用层+表示层+会话层 

上图中：网络层==互联网层 ；数据链路层==网卡层；物理层==（硬件）只是名称不同而已

关注上图的侧面：分别涉及应用程序，操作系统（内核），设备驱动程序与网络接口

对于Java程序员，重点关注应用层+传输层（应用层是需要调用传输层提供的接口（api）来进行一些功能实现的），这些和日常开发息息相关，其他层简单了解即可

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笔试题（选择题）：

路由器是工作在上述协议中的哪一层

交换机是工作在上述协议中的哪一层

如果出现：这里的”路由器"和”交换机“就是"经典的路由器交换机"(课本上的）

路由器就是工作在网络层（三层转发）

交换机就是工作在数据链路层（二层转发） （稍后详细介绍）

但是真实的情况：现在的路由器和交换机功能越来越多，界限越来越模糊

eg：有些路由器/交换机可以工作在应用层，你通过wx发个信息，路由器/交换机就能感知到，你发的这个信息内容是啥（信息内容，属于应用层的范畴）

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四、封装和分用（协议的层和层之间是如何配合工作的？）

上层协议调用下层协议，下层协议给上层协议提供服务

下面以A通过QQ给B发送hello为例分别介绍封装和分用

首先QQ里面就会有一个应用层网络协议，这个协议约定了数据按照什么样的格式来组织

这种数据的格式：本质上是（二进制的）字符串（更准确的说是二进制的bit流），因此要传输的发送人，接收人，消息时间，消息内容...就要组织到一个字符串中，组织的时候要按照一定的格式来

不同的协议，数据组织的格式是不同的

序列化和反序列化：

序列化：把结构化数据（包含很多属性，很多字段） ——>字符串/二进制字符串

反序列化： 把字符串/二进制字符串——>结构化数据

发送和接收的过程中就进行了一个序列化和反序列化

1.封装（和Java面向对象的封装，不是一个封装）

A的在聊天窗口里，输入hello，点击发送，那么QQ应用程序就要负责实现上述逻辑，而这些逻辑都要通过网络来传输

（1）QQ应用程序首先就会把上述要传递的内容，组织成“应用层数据包”

假设QQ的应用层协议是这样的：发送人的qq号，接收人的qq号，发送时间，消息正文\n

（2）应用层数据包已经有了，QQ程序就要调用系统的api来进行传输

QQ 程序,就要调用系统的 api, 来进行传输.

应用层接下来要把数据交给,传输层.

怎么交给传输层?传输层(操作系统内核) 提供了 api,让应用程序去调用.

调用这样的 api, 就会把刚才的应用层数据交给传输层.(进入到系统内核了)，称为 socket api

传输层拿到应用层数据包之后,就会把这个数据包进行进一步的封装,构造成 传输层数据包在传输层

典型协议有两个,TCP,UDP

此处假设使用 UDP 来作为传输层协议

整个是UDP数据包，前面是UDP报头，后面是UDP数据包的载荷（payload）

报头里放着一些UDP相关的属性（比如发件人和收件人的端口号就在UDP报头中）

传输层 构造好数据包之后,就会继续把数据包,交给网络层,(传输层会调用网络层提供的 api，这个调用的过程
都是系统内核,自行负责了，咱们程序员感知不到

（3）网络层 典型的协议IP协议

整个是IP数据包，前面是IP数据包的报头，后面是IP数据包的载荷（IP协议不关心后面的载荷里头是啥，只关心IP报头里的数据）

IP报头中就包含收件人的IP地址和发件人的IP地址

又进一步的调用数据链路层的 api, 把上述 IP 数据包,交给数据链路层的协议.

同样也是系统内核负责完成的.程序员感知不到了,

这里的 api 往往是 网卡 的驱动程序提供的.

硬件厂商,发布硬件的时候,提供配套的软件(驱动程序)通过驱动程序,可以让操作系统实现对硬件的精细控制

（4）数据链路层 典型协议 以太网

以太在物理中是光在真空中传输的介质，此处传输网络数据，也需要介质所以引入这个词

电脑, 通过有线网, 传输数据, 走的就是"以太网"协议~~

咱们电脑上插的网线,也叫做"以太网线

以太网,也有自己的数据包格式,就会拿到上述 IP 数据包,进一步的封装

上述数据已经进入到网卡驱动中了，接下来就是要真正的发送出去了 

（5）物理层：上述的以太网数据帧，本质上还是0101二进制数据

硬件设备，要把上述的二进制数据，转为光信号/电信号/电磁波才会真正的进行发射

上述层层包装数据，不停的加数据报头的过程，称为”封装“ ，类似包装快递

2.分用

上述数据，并非直接到达B，而是要先到和A连接的交换机/路由器，数据经过交换机/路由器的一系列转发之后，最终到达B

当数据到达B之后，又要做哪些事情呢？ 就是上述过程的“逆过程”（拆快递）

（1）物理层

收到一系列光电信号，把这些信号转为0101二进制数据，交给数据链路层

（2）数据链路层

按照以太网协议，对数据进行解析（解析报头中的关键信息，为后续的传输/转发打下基础，还需要拿到载荷数据）

解析出来的载荷数据，是要交给上层（网络层）

（3）网络层 IP协议

IP协议拿到IP数据包，按照协议格式进一步解析，解析报头中的关键信息，取出载荷

把载荷再进一步交给上层（传输层）

（4）传输层  UDP

拿着UDP数据包，按照UDP格式进一步解析，解析出关键的信息（要交给哪个端口号对应的进程），以及解析成载荷数据

 

再把载荷交给对应的应用程序

（5）应用层

QQ程序拿到了应用数据包

QQ按照自己的协议格式，进行解析，拿到这里的结构化数据（反序列化），显示到界面上

这个过程就是分用，就相当于拆快递

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中间的路由器，交换机，也要进行封装分用，也是上述的过程

只不过，交换机，封装分用到数据链路层，即可知道下一步如何转发（工作在数据链路层）

路由器，封装分用到，网络层，即可知道下一步如何转发（工作在网络层）