Java網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì) 課件 單元9-01計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)單元九主要功能和分類

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)分層模型目錄CONTENTS123數(shù)據(jù)封裝和解封目錄CONTENTS5

TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介49.1.1主要功能和分類

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是將地理位置不同的具有獨(dú)立功能的多臺(tái)計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如果按照地理范圍劃分，可以將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)三種。

局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork,LAN)是在一個(gè)局部的地理范圍內(nèi)（如一個(gè)企業(yè)、一個(gè)學(xué)?；蛞粋€(gè)網(wǎng)吧），一般是方圓幾千米以內(nèi)，將各種計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、外部設(shè)備等互相連接起來組成的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)。局域網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)文件管理、軟件共享、打印機(jī)共享等功能。從嚴(yán)格意義上來講，局域網(wǎng)應(yīng)該是封閉型的，它可以由幾臺(tái)甚至成千上萬臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，但實(shí)際上，局域網(wǎng)可以通過廣域網(wǎng)或?qū)＞€與遠(yuǎn)方的局域網(wǎng)、服務(wù)器相連接，拓展網(wǎng)絡(luò)范圍或?qū)崿F(xiàn)更多的功能。9.1.1主要功能和分類

城域網(wǎng)（MetropolitanAreaNetwork,MAN)一般來說是在一個(gè)城市，連接距離在10?100公里范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)。MAN與LAN相比擴(kuò)展的距離更長(zhǎng)，連接的計(jì)算機(jī)數(shù)量更多，在地理范圍上MAN網(wǎng)絡(luò)可以說是LAN網(wǎng)絡(luò)的延伸。在一個(gè)大型城市或都市地區(qū)，一個(gè)MAN網(wǎng)絡(luò)通常連接著多個(gè)LAN,如連接政府機(jī)構(gòu)的LAN、醫(yī)院的LAN、電信的LAN、公司企業(yè)的LAN等。另外由于光纖連接的引入，使MAN中高速的LAN互聯(lián)成為可能。

廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork,_WAN)也稱為遠(yuǎn)程網(wǎng)，所覆蓋的范圍比城域網(wǎng)更廣，起到LAN或MAN之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的作用。廣域網(wǎng)能連接多個(gè)城市或國(guó)家，或橫跨幾個(gè)洲并能提供遠(yuǎn)距離通信，形成國(guó)際性的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)是世界范圍內(nèi)最大的廣域網(wǎng)。因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)，信息衰減嚴(yán)重，所以這種網(wǎng)絡(luò)一般要使用專線，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，解決信息安全到達(dá)的問題。

。9.1.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

上面我們按照地理范圍將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，在實(shí)際工作中，常提到的是局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)（廣域網(wǎng)），城域網(wǎng)較少被提及。在人類社會(huì)中，人與人之間的交流是通過各種語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)的。為什么你說的話我可以聽明白，原因在于你是按照漢語(yǔ)的規(guī)則說話，而我也懂漢語(yǔ)的規(guī)則，所以可以聽懂你的意思。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常由三個(gè)要素組成：

（1）語(yǔ)義，規(guī)定了通信雙方為了完成某種目的，需要發(fā)出何種控制信息以及基于這個(gè)信息需要做出何種行動(dòng)。例如A處民宅發(fā)生火災(zāi)，需要向B處城市報(bào)警臺(tái)報(bào)警，則A發(fā)送“119+民宅地址”的信息給B，B獲得這個(gè)信息后根據(jù)119知道是火警，則通知消防隊(duì)去民宅地址滅火。

（2）語(yǔ)法，是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的先后順序。例如，語(yǔ)法可以規(guī)定A向B發(fā)送的數(shù)據(jù)前部是“119”，后部是“民宅地址”。9.1.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 (3)時(shí)序，是對(duì)事件發(fā)生順序的詳細(xì)說明。比如何時(shí)進(jìn)行通信，先講什么，后講什么，講話的速度等。

這三個(gè)要素可以描述為：語(yǔ)義表示要做什么，語(yǔ)法表示要怎么做，時(shí)序表示做的順序。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，由于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間聯(lián)系很復(fù)雜，在制定協(xié)議時(shí)為了減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)釆用分層設(shè)計(jì)方法。所謂分層設(shè)計(jì)方法，就是按照信息的流動(dòng)過程將網(wǎng)絡(luò)的整體功能分解為一個(gè)個(gè)的功能層，不同機(jī)器上的同等功能層之間采用相同的協(xié)議，同—機(jī)器上的相鄰功能層之間通過接口進(jìn)行信息傳遞。在不同的網(wǎng)絡(luò)中，分層數(shù)量、各層的名稱和功能以及協(xié)議都各不相同。然而，在所有的網(wǎng)絡(luò)中，每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務(wù)，同時(shí)也向下一層獲取一定的服務(wù)。9.1.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

分層設(shè)計(jì)方法首先確定層次及每層應(yīng)完成的任務(wù)，確定層次時(shí)應(yīng)按邏輯組成功能細(xì)化層次，使得每層功能相對(duì)單一，易于處理。但同時(shí)層次也不能太多，否則會(huì)因?yàn)閷哟沃g的處理產(chǎn)生過多的開銷。將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信功能劃分為垂直的層次后，在通信過程中下層將向上層隱蔽下層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而上層也只按接口要求獲取信息，這樣各層之間即獨(dú)立同時(shí)也能順利傳遞信息。

9.1.3網(wǎng)絡(luò)分層模型

為了使不同計(jì)算機(jī)廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)能夠相互通信，以便在更大的范圍內(nèi)建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO)在1978年提出了“開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型”，即著名的OSI/RM模型（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel)。它將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的通信協(xié)議劃分為七層，自下而上依次為物理層（PhysicsLayer)、數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer)、網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer)、傳輸層(TransportLayer)、會(huì)話層（SessionLayer)、表示層(PresentationLayer)、應(yīng)用層（ApplicationLayer)。對(duì)于每一層，至少制定兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：服務(wù)定義和協(xié)議規(guī)范。前者給出了該層所提供的服務(wù)的準(zhǔn)確定義，后者詳細(xì)描述了該協(xié)議的動(dòng)作和各種有關(guān)規(guī)程，以保證服務(wù)的提供。9.1.3網(wǎng)絡(luò)分層模型 TCP/IP協(xié)議不是TCP和IP這兩個(gè)協(xié)議的合稱，而是指整個(gè)TCP/IP協(xié)議族。TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議，沒有它就根本不可能上網(wǎng)，任何和互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的操作都離不開TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議定義了電子設(shè)備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。協(xié)議釆用了四層（另一說法為五層）的層次結(jié)構(gòu)，自下而上依次為網(wǎng)絡(luò)接口層(NetworkInterfaceLayer)、網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer)、傳輸層（TransportLayer)和應(yīng)用層（ApplicationLayer)。 TCP/IP協(xié)議并不完全符合OSI的七層參考模型，OSI是傳統(tǒng)的開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，是一種通信協(xié)議的七層抽象的參考模型，其中每一層執(zhí)行某一特定任務(wù)。該模型的目的是使各種硬件在相同的層次上相互通信。而TCP/IP通信協(xié)議采用了四層的層次結(jié)構(gòu)，每一層都要求它的下一層按接口要求提供服務(wù)。TCP/IP協(xié)議模型與OSI參考模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。9.1.3網(wǎng)絡(luò)分層模型如圖9.1所示圖9.1TCP/IP協(xié)議模型與OSI參考模型9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介●網(wǎng)絡(luò)接口層 TCP/IP協(xié)議模型中網(wǎng)絡(luò)接口層對(duì)應(yīng)于OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。其中物理層規(guī)定了物理介質(zhì)的各種特性，包括機(jī)械特性、電子特性、功能特性和規(guī)程特性，而數(shù)據(jù)鏈路層是負(fù)責(zé)接收IP數(shù)據(jù)報(bào)并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，或從網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀再抽離出IP數(shù)據(jù)報(bào)交給網(wǎng)絡(luò)層。

在該層中，大家可能會(huì)接觸到的兩個(gè)協(xié)議是： SLIP(SerialLineInternetProtocol)協(xié)議，提供了一種在串行通信線路上封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單方法，使用戶通過電話線和Modem能方便地接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。PPP(PointtoPointProtocol)協(xié)議，是一種有效的點(diǎn)到點(diǎn)通信協(xié)議，可以支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（如IP、IPX等)，支持動(dòng)態(tài)分配的IP地址，并且具有差錯(cuò)檢驗(yàn)?zāi)芰?。該協(xié)議的設(shè)計(jì)目的主要是用來通過撥號(hào)或?qū)＞€方式建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)連接，使其成為各種計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間簡(jiǎn)單連接的一種解決方案。9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介●網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層對(duì)應(yīng)于OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，提供源設(shè)備和目的設(shè)備之間的信息傳輸服務(wù)。它在數(shù)據(jù)鏈路層提供的兩個(gè)相鄰端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幀的傳送功能上，進(jìn)一步管理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)設(shè)法從源端經(jīng)過若干個(gè)中間結(jié)點(diǎn)傳送到目的端，從而向傳輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層主要功能包括處理來自傳輸層的分組請(qǐng)求，收到請(qǐng)求后，檢查合法性，并將分組裝入IP數(shù)據(jù)報(bào)，填充報(bào)頭，選擇去往目的設(shè)備的路徑，然后將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往適當(dāng)?shù)闹虚g結(jié)點(diǎn)，最終達(dá)到目的端。 TCP/IP協(xié)議族中，網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議包括： IP(InternetProtocol)協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)層的核心，負(fù)責(zé)在主機(jī)（含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）之間尋址并為數(shù)據(jù)報(bào)設(shè)定路由。9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介 IP協(xié)議是無連接的，關(guān)于是否有連接，非常類似于我們打電話（有連接的）和發(fā)短信（無連接的）。在打電話的過程中，需要為通話雙方建立一個(gè)獨(dú)占的連接，雙方可以通過撥電話號(hào)碼及聽到鈴聲接通電話來建立一個(gè)連接會(huì)話。在連接建立以后，雙方說的話會(huì)順序到達(dá)對(duì)方那里，對(duì)方聽到以后會(huì)進(jìn)行回話，確認(rèn)了信息的到達(dá)。而發(fā)短信則不需要建立連接，發(fā)送出去以后，并不知道對(duì)方是否一定收到了，前后發(fā)出的短消息，在接受方那里也并不一定還按照原來的發(fā)送順序接收。 IP協(xié)議不僅是無連接的，而且是不可靠的，不能保證傳輸?shù)恼_。它總是盡最大努力傳送數(shù)據(jù)報(bào)到目的設(shè)備。在傳送過程中，可能發(fā)生丟失、次序紊亂、重復(fù)或者延遲發(fā)送，數(shù)據(jù)報(bào)被收到的時(shí)候，IP協(xié)議不需要進(jìn)行確認(rèn)，同樣發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候，也不進(jìn)行告知。9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介 IP協(xié)議要負(fù)責(zé)尋找到達(dá)目的設(shè)備的路由。它首先判斷目的設(shè)備地址是不是本地地址，如果是，則直接發(fā)送到本地地址。如果不是，則需要在本地的路由表中查找到達(dá)目的設(shè)備地址的路由。如果找到了這個(gè)路由，就把數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到這個(gè)路由，如果沒有找到，就把數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給自己的網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理。ICMP(InternetControlMessageProtocol)Internet控制報(bào)文協(xié)議，它的主要作用

在于報(bào)告錯(cuò)誤，并對(duì)消息進(jìn)行控制。需要強(qiáng)調(diào)的是，Internet控制報(bào)文協(xié)議并不是讓IP協(xié)議變成一個(gè)可靠的協(xié)議，它只是在特殊情況下報(bào)告錯(cuò)誤和提供反饋。ARP(AddressResolutionProtocol)正向地址解析協(xié)議，作用是根據(jù)已知的IP地址（網(wǎng)絡(luò)地址）獲取主機(jī)（含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）的MAC地址（硬件地址）。 RARP(ReverseARP)反向地址解析協(xié)議，其作用正好和ARP協(xié)議的作用相反，是根據(jù)主機(jī)的MAC地址獲取該設(shè)備的IP地址。9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介

●傳輸層

傳輸層對(duì)應(yīng)于OSI參考模型的傳輸層，提供進(jìn)程之間的端到端的服務(wù)。傳輸層是TCP/IP協(xié)議族中最重要的一層，是負(fù)責(zé)總體的數(shù)據(jù)傳輸和控制的。其主要功能包括分割和重組數(shù)據(jù)并提供差錯(cuò)控制和流量控制，以到達(dá)提供可靠傳輸?shù)哪康?。為了?shí)現(xiàn)可靠的傳輸，傳輸層協(xié)議規(guī)定接收端必須發(fā)送確認(rèn)信息以確定數(shù)據(jù)達(dá)到，假如數(shù)據(jù)丟失，必須重新發(fā)送。9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介

傳輸層協(xié)議主要包括： TCP(TransmissionControlProtocol)傳輸控制協(xié)議，是一種可靠的面向連接的傳輸服務(wù)協(xié)議。在TCP/IP協(xié)議族中，TCP協(xié)議提供可靠的連接服務(wù)，采用“三次握手”建立一個(gè)連接。

第一次握手：建立連接時(shí)，源端發(fā)送同步序列編號(hào)（SynchronizeSequenceNumbers,SYN)包（SYN=j)到目的端，等待目的端確認(rèn)。

第二次握手：目的端收到SYN包，確認(rèn)源端的SYN(ACK=j+1),同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包（SYN=k),即SYN+ACK包。

第三次握手：源端收到目的端的SYN+ACK包，向目的端發(fā)送確認(rèn)包ACK(ACK=k+1)。此包發(fā)送完畢，源端和目的端完成三次握手，源端可以向目的端發(fā)送數(shù)據(jù)。9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介

在使用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)之前，雙方會(huì)通過握手的方式來進(jìn)行初始化，握手的目的是使數(shù)據(jù)段的發(fā)送和接收同步，建立虛連接。在建立虛連接以后，TCP每次發(fā)送的數(shù)據(jù)段都有順序號(hào)，這樣目的端就可以知道是否所有的數(shù)據(jù)段都已經(jīng)收到，同時(shí)在接收到數(shù)據(jù)段以后，必須在一個(gè)指定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息。如果發(fā)送方?jīng)]有接收到這個(gè)確認(rèn)信息，它將重新發(fā)送數(shù)據(jù)段。如果收到的數(shù)據(jù)段有損壞，接收方直接丟棄，因?yàn)闆]有發(fā)送確認(rèn)信息，所以發(fā)送方也會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)段。

在使用TCP協(xié)議通信的過程中，還需要一個(gè)協(xié)議的端口號(hào)來標(biāo)明自己在主機(jī)（含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）中的唯一性，這樣才可以在一臺(tái)主機(jī)上建立多個(gè)TCP連接，告知具體哪個(gè)應(yīng)用層協(xié)議來使用。端口號(hào)只能是從0?65535當(dāng)中的任意整數(shù)，其中常見的端口號(hào)及對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議如表9.1所示。9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介

表9.1端口號(hào)及對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議端口號(hào)協(xié)議21FTP(文件傳輸協(xié)議）23Telnet(遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）25SMTP(簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議）53DNS(域名服務(wù)）80HTTP(超文本傳輸協(xié)議）110POP3(郵局協(xié)議3)9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介 UDP(UserDatagramprotocol)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是另外一個(gè)重要的協(xié)議，它提供的是無連接、面向事務(wù)的簡(jiǎn)單不可靠信息傳送服務(wù)。UDP不提供分割、重組數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序的功能，也就是說，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送之后，是無法得知其是否安全完整的到達(dá)。

在選擇使用傳輸層協(xié)議時(shí)，選擇UDP必須要謹(jǐn)慎。因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的情況下，UDP協(xié)議數(shù)據(jù)丟失會(huì)比較嚴(yán)重。但同時(shí)也因?yàn)閁DP的特性，它是無連接的協(xié)議，因而具有資源消耗小，處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，所以在音頻和視頻的傳送時(shí)使用UDP較多，因?yàn)檫@樣的數(shù)據(jù)傳輸即使偶爾丟失一兩個(gè)數(shù)據(jù)，也不會(huì)對(duì)接收結(jié)果產(chǎn)生太大影響。9.1.4TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介

●應(yīng)用層

應(yīng)用層對(duì)應(yīng)于OSI參考模型的會(huì)話層、表