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網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)知識入門
想要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)編程，那么都有哪些基礎(chǔ)知識呢？下面是小編分享給大家的網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)知識入門，希望對大家有幫助。
關(guān)于網(wǎng)絡(luò)
關(guān)于網(wǎng)絡(luò)，在詞典中的定義是這樣的：
在電的系統(tǒng)中，由若干元件組成的用來使電信號按一定要求傳輸?shù)碾娐坊蜻@種電路的部分，叫網(wǎng)絡(luò)。
作為一名從事過TMN開發(fā)的通信專業(yè)畢業(yè)生，固執(zhí)地認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)是從通信系統(tǒng)中誕生的。通信是人與人之間通過某種媒介進行的信息交流與傳遞。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)（即電話網(wǎng)絡(luò)）是由傳輸、交換和終端三大部分組成，通信網(wǎng)絡(luò)是指將各個孤立的設(shè)備進行物理連接，實現(xiàn)信息交換的鏈路，從而達到資源共享和通信的目的。通信網(wǎng)絡(luò)可以從覆蓋范圍，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換方式等諸多視角進行分類…… 滿滿的回憶，還是留在書架上吧。
網(wǎng)絡(luò)的概念外延被不斷的放大著，抽象的思維能力是人們創(chuàng)新乃至創(chuàng)造的根源。網(wǎng)絡(luò)用來表示諸多對象及其相互聯(lián)系，數(shù)學(xué)上的圖，物理學(xué)上的模型,交通網(wǎng)絡(luò)，人際網(wǎng)絡(luò)，城市網(wǎng)絡(luò)等等，總之，網(wǎng)絡(luò)被總結(jié)成從同類問題中抽象出來用數(shù)學(xué)中的圖論科學(xué)來表達并研究的一種模型。
很多伙伴認(rèn)為，了解這些之后呢，然并卵。我們關(guān)心的只是計算機網(wǎng)絡(luò)，算機網(wǎng)絡(luò)是用通信線路和設(shè)備將分布在不同地點的多臺計算機系統(tǒng)互相連接起來，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，分享軟硬件功能，最終實現(xiàn)資源共享的系統(tǒng)。特別的，我們談到的網(wǎng)絡(luò)只是互聯(lián)網(wǎng)——Internet，或者移動互聯(lián)網(wǎng)，需要的是寫互連網(wǎng)應(yīng)用程序。但是，一位工作了五六年的編程高手曾對我說，現(xiàn)在終于了解到基礎(chǔ)知識有多重要，技術(shù)在不斷演進，而相對不變的就是那些原理和編程模型了。
老碼農(nóng)深以為然，編程實踐就是從具體到抽象，再到具體，循環(huán)往復(fù)，螺旋式上升的過程。了解前世今生，只是為了可能觸摸到“勢”�；A(chǔ)越扎實，建筑就會越有想象的空間。 對于網(wǎng)絡(luò)編程的基礎(chǔ)，大概要從OSI的七層協(xié)議模型開始了。
七層模型
七層模型（OSI，Open System Interconnection參考模型），是參考是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的一個用于計算機或通信系統(tǒng)間互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)體系。它是一個七層抽象的模型，不僅包括一系列抽象的術(shù)語和概念，也包括具體的協(xié)議。 經(jīng)典的描述如下：
簡述每一層的含義：
物理層（Physical Layer）：建立、維護、斷開物理連接。
數(shù)據(jù)鏈路層 (Link)：邏輯連接、進行硬件地址尋址、差錯校驗等。
網(wǎng)絡(luò)層 (Network)：進行邏輯尋址，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的路徑選擇。
傳輸層 (Transport)：定義傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議端口號，及流控和差錯校驗。
會話層（Session Layer）：建立、管理、終止會話。
表示層（Presentation Layer）：數(shù)據(jù)的表示、安全、壓縮。
應(yīng)用層 (Application)：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與最終用戶的一個接口
每一層利用下一層提供的服務(wù)與對等層通信，每一層使用自己的協(xié)議。了解了這些，然并卵。但是，這一模型確實是絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)編程的基礎(chǔ)，作為抽象類存在的，而TCP／IP協(xié)議棧只是這一模型的一個具體實現(xiàn)。
TCP/IP 協(xié)議模型
TCP/IP是Internet的基礎(chǔ)，是一組協(xié)議的代名詞，包括許多協(xié)議，組成了TCP/IP協(xié)議棧。TCP／IP 有四層模型和五層模型之說，區(qū)別在于數(shù)據(jù)鏈路層是否作為獨立的一層存在。個人傾向于5層模型，這樣2層和3層的交換設(shè)備更容易弄明白。當(dāng)談到網(wǎng)絡(luò)的2層或3層交換機的時候，就知道指的是那些協(xié)議。
IP協(xié)議和IP地址是兩個不同的概念，這里沒有涉及IPV6的。不關(guān)注網(wǎng)絡(luò)安全的話，對這些結(jié)構(gòu)不必耳熟能詳?shù)�。傳輸層使用這樣的數(shù)據(jù)包進行傳輸，傳輸層又分為面向連接的可靠傳輸TCP和數(shù)據(jù)報UDP。
TCP 連接建立的三次握手肯定是必知必會，在系統(tǒng)調(diào)優(yōu)的時候，內(nèi)核中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)與這個圖息息相關(guān)。UDP是一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供的是簡單不可靠的信息傳輸。協(xié)議結(jié)構(gòu)相對簡單，包括源和目標(biāo)的端口號，長度以及校驗和�；赥CP和UDP的數(shù)
還是然并卵么？一個數(shù)據(jù)包的大小了解了，會發(fā)現(xiàn)什么？PayLoad到底是多少？在設(shè)計協(xié)議通信的時候，這些都為我們提供了粒度定義的依據(jù)。進一步，通過一個例子看看吧。
模型解讀示例
FTP是一個比較好的例子。為了方便起見，假設(shè)兩條計算機分別是A 和 B，將使用FTP 將A上的一個文件X傳輸?shù)紹上。
首先，計算機A和B之間要有物理層的連接，可以是有線比如同軸電纜或者雙絞線通過RJ-45的電路接口連接，也可以是無線連接例如WIFI。先簡化一下，考慮局域網(wǎng)，暫不討論路由器和交換機以及WIFI熱點。這些物理層的連接建立了比特流的原始傳輸通路。
接下來，數(shù)據(jù)鏈路層登場，建立兩臺計算機的數(shù)據(jù)鏈路。如果A和B所在的網(wǎng)絡(luò)上同時連接著計算機C，D，E等等，A和B之間如何建立的數(shù)據(jù)鏈路呢？這一過程就是物理尋址，A要在眾多的物理連接中找到B，依賴的是計算機的物理地址即MAC地址，對就是網(wǎng)卡上的MAC地址。以太網(wǎng)采用CSMA/CD方式來傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)的局域網(wǎng)中都是以廣播方式傳輸?shù)模麄�局域網(wǎng)中的所有節(jié)點都會收到該幀，只有目標(biāo)MAC地址與自己的MAC地址相同的幀才會被接收。A通過差錯控制和接入控制找到了B的網(wǎng)卡，建立可靠的數(shù)據(jù)通路。
那IP地址呢？ 數(shù)據(jù)鏈路建立起來了，還需要IP地址么？我們FTP 命令中制定的是IP地址而不是MAC地址呀？IP地址是邏輯地址，包括網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址。如果A和B在不同的局域網(wǎng)中，中間有著多個路由器，A需要對B進行邏輯尋址才可以的。物理地址用于底層的硬件的通信，邏輯地址用于上層的協(xié)議間的通信。在以太網(wǎng)中：邏輯地址就是IP地址，物理地址就是MAC 地址。在使用中，兩種地址是用一定的算法將他們兩個聯(lián)系起來的。所以，IP是用來在網(wǎng)絡(luò)上選擇路由的，在FTP的命令中，IP中的原地址就是A的IP地址，目標(biāo)地址就是B的IP地址。這應(yīng)該就是網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)將分組數(shù)據(jù)從源端傳輸?shù)侥康亩恕?/p>
A向B傳輸一個文件時，如果文件中有部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，就可能會造成在B上無法正常閱讀或使用。所以需要一個可靠的連接，能夠確保傳輸過程的完整性，這就是傳輸層的TCP協(xié)議，F(xiàn)TP就是建立在TCP之上的。TCP的三次握手確定了雙方數(shù)據(jù)包的序號、最大接受數(shù)據(jù)的大小(window)以及MSS(Maximum Segment Size)。TCP利用IP完成尋址，TCP中的提供了端口號，F(xiàn)TP中目的端口號一般是21。傳輸層的端口號對應(yīng)主機進程，指本地主機與遠程主機正在進行的會話。
會話層用來建立、維護、管理應(yīng)用程序之間的會話，主要功能是對話控制和同步，編程中所涉及的session是會話層的具體體現(xiàn)。表示層完成數(shù)據(jù)的解編碼，加解密，壓縮解壓縮等，例如FTP中bin命令，代表了二進制傳輸，即所傳輸層數(shù)據(jù)的格式。
HTTP協(xié)議里body中的Json，XML等都可以認(rèn)為是表示層。應(yīng)用層就是具體應(yīng)用的本身了，F(xiàn)TP中的PUT，GET等命令都是應(yīng)用的具體功能特性。
簡單地，物理層到電纜連接，數(shù)據(jù)鏈路層到網(wǎng)卡，網(wǎng)絡(luò)層路由到主機，傳輸層到端口，會話層維持會話，表示層表達數(shù)據(jù)格式，應(yīng)用層就是具體FTP中的各種命令功能了。
Socket
了解了7層模型就可以編程了么，拿起編程語言就可以耍了么？剛開始上手嘗試還是可以的，如果要進一步，老碼農(nóng)覺得還是看看底層實現(xiàn)的好，因為一切歸根到底都會歸結(jié)為系統(tǒng)調(diào)用。到了操作系統(tǒng)層面如何看網(wǎng)絡(luò)呢？Socket登場了。
在Linux世界，“一切皆文件”，操作系統(tǒng)把網(wǎng)絡(luò)讀寫作為IO操作，就像讀寫文件那樣，對外提供出來的編程接口就是Socket。所以，socket（套接字）是通信的基石，是支持TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。socket實質(zhì)上提供了進程通信的端點。進程通信之前，雙方首先必須各自創(chuàng)建一個端點，否則是沒有辦法建立聯(lián)系并相互通信的。一個完整的socket有一個本地唯一的socket號，這是由操作系統(tǒng)分配的。
從設(shè)計模式的角度看， Socket其實是一個外觀模式，它把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議棧隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的Socket接口就是全部。當(dāng)應(yīng)用程序創(chuàng)建一個socket時，操作系統(tǒng)就返回一個整數(shù)作為描述符（descriptor）來標(biāo)識這個套接字。然后，應(yīng)用程序以該描述符為傳遞參數(shù)，通過調(diào)用函數(shù)來完成某種操作（例如通過網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)或接收輸入的數(shù)據(jù)）。以TCP 為例，典型的
在許多操作系統(tǒng)中，Socket描述符和其他I/O描述符是集成在一起的，操作系統(tǒng)把socket描述符實現(xiàn)為一個指針數(shù)組，這些指針指向內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。進一步看，操作系統(tǒng)為每個運行的進程維護一張單獨的文件描述符表。當(dāng)進程打開一個文件時，系統(tǒng)把一個指向此文件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針寫入文件描述符表，并把該表的索引值返回給調(diào)用者 。
既然Socket和操作系統(tǒng)的IO操作相關(guān)，那么各操作系統(tǒng)IO實現(xiàn)上的差異會導(dǎo)致Socket編程上的些許不同�？纯次襇ac上的Socket.so 會發(fā)現(xiàn)和CentOS上的還是些不同的。
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