7.6.1 Socket學習網絡基礎准備

本節引言：

為了照顧沒學過Java Socket的初學者，或者說捋一捋Android開發中涉及到的網絡協議相關的概念， 畢竟面試的時候，面試官來了句給我說下網絡協議有幾層？那麼IP協議在哪層？Socket是什麼鬼？ 分哪幾種？TCP和UDP協議又在哪層？有什麼區別...嗯，這...所以學習本節概念性的理論還是很有 必要的！那麼話不多說，開始本節內容~

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1.OSI七層網絡模型淺析

當然，我們不是專業搞網絡工程的，只要知道有哪些層，大概是拿來干嘛的就可以了！

OSI七層網絡模型(從下往上)：

• 物理層(Physical)：設備之間的數據通信提供傳輸媒體及互連設備，為數據傳輸提供可靠的 環境。可以理解為網絡傳輸的物理媒體部分，比如網卡，網線，集線器，中繼器，調制解調器等！ 在這一層，數據還沒有被組織，僅作為原始的位流或電氣電壓處理，這一層的單位是:bit比特
• 數據鏈路層(Datalink)：可以理解為數據通道，主要功能是如何在不可靠的物理線路上進行 數據的可靠傳遞，改層作用包括：物理地址尋址，數據的成幀，流量控制，數據檢錯以及重發等！ 另外這個數據鏈路指的是：物理層要為終端設備間的數據通信提供傳輸媒體及其連接。媒體是 長期的，連接是有生存期的。在連接生存期內，收發兩端可以進行不等的一次或多次數據通信。 每次通信都要經過建立通信聯絡和拆除通信聯絡兩過程！這種建立起來的數據收發關系~ 該層的設備有：網卡，網橋，網路交換機，另外該層的單位為：幀
• 網絡層(Network)：主要功能是將網絡地址翻譯成對應的物理地址，並決定如何將數據從發 送方路由到接收方，所謂的路由與尋徑：一台終端可能需要與多台終端通信，這樣就產生的了 把任意兩台終端設備數據鏈接起來的問題！簡單點說就是：建立網絡連接和為上層提供服務！ 該層的設備有：路由！該層的單位為：數據包，另外IP協議就在這一層！
• 傳輸層(Transport)：向上面的應用層提供通信服務，面向通信部分的最高層，同時也是 用戶功能中的最低層。接收會話層數據，在必要時將數據進行分割，並將這些數據交給網絡 層，並且保證這些數據段有效的到達對端！所以這層的單位是：數據段；而這層有兩個很重要 的協議就是：TCP傳輸控制協議與UDP用戶數據報協議，這也是本章節核心講解的部分！
• 會話層(Session)：負責在網絡中的兩節點之間建立、維持和終止通信。建立通信鏈接， 保持會話過程通信鏈接的暢通，同步兩個節點之間的對話，決定通信是否被中斷以及通信中斷時 決定從何處重新發送，即不同機器上的用戶之間會話的建立及管理！
• 表示層(Presentation)：對來自應用層的命令和數據進行解釋，對各種語法賦予相應 的含義，並按照一定的格式傳送給會話層。其主要功能是"處理用戶信息的表示問題，如編碼、 數據格式轉換和加密解密，壓縮解壓縮"等
• 應用層(Application)：OSI參考模型的最高層，為用戶的應用程序提供網絡服務。 它在其他6層工作的基礎上，負責完成網絡中應用程序與網絡操作系統之間的聯系，建立與結束使用者之間的聯系，並完成網絡用戶提出的各種網絡服務及應用所需的監督、管理和服務等各種協議。此外，該層還負責協調各個應用程序間的工作。應用層為用戶提供的服務和協議有：文件服務、目錄服務、文件傳輸服務（FTP）、遠程登錄服務（Telnet）、電子郵件服務（E-mail）、打印服務、安全服務、網絡管理服務、數據庫服務等。

好的上面我們淺述了OSI七層網絡模型，下面總結下：

OSI是一個理想的模型，一般的網絡系統只涉及其中的幾層，在七層模型中，每一層都提供一個特殊 的網絡功能，從網絡功能角度觀察：

• 下面4層（物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層）主要提供數據傳輸和交換功能， 即以節點到節點之間的通信為主
• 第4層作為上下兩部分的橋梁，是整個網絡體系結構中最關鍵的部分；
• 上3層（會話層、表示層和應用層）則以提供用戶與應用程序之間的信息和數據處理功能為主。

簡言之，下4層主要完成通信子網的功能，上3層主要完成資源子網的功能。

——以上內容參考自：OSI七層模型詳解

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2.TCP/IP四層模型

TCP/IP是一組協議的代名詞，它還包括許多協議，組成了TCP/IP協議簇。 TCP/IP協議簇分為四層，IP位於協議簇的第二層(對應OSI的第三層)，TCP位於協議簇的第三層 (對應OSI的第四層)。TCP/IP通訊協議采用了4層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供 的網絡來完成自己的需求。這4層分別為：

• 應用層：應用程序間溝通的層，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協議（FTP）、 網絡遠程訪問協議（Telnet）等。
• 傳輸層：在此層中，它提供了節點間的數據傳送服務，如傳輸控制協議（TCP）、 用戶數據報協議（UDP）等，TCP和UDP給數據包加入傳輸數據並把它傳輸到下一層中， 這一層負責傳送數據，並且確定數據已被送達並接收。
• 網絡互連層：負責提供基本的數據封包傳送功能，讓每一塊數據包都能夠到達目 的主機（但不檢查是否被正確接收），如網際協議（IP）。
• 主機到網絡層：對實際的網絡媒體的管理，定義如何使用實際網絡 （如Ethernet、Serial Line等）來傳送數據。

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3.TCP/UDP區別講解

好吧，前兩點侃侃而談，只是給大家普及下OSI七層模型和TCP/IP四層模型的概念，接下來要講的是 和我們Socket開發相關的一些概念名詞了！

1）IP地址

2）端口

1. 用於區分不同的應用程序

2. 端口號的范圍為0-65535，其中0-1023未系統的保留端口，我們的程序盡可能別使用這些端口！

3. IP地址和端口號組成了我們的Socket，Socket是網絡運行程序間雙向通信鏈路的終結點， 是TCP和UDP的基礎！

4. 常用協議使用的端口：HTTP:80，FTP：21，TELNET：23

3）TCP協議與UDP協議的比較：

TCP協議流程詳解:

首先TCP/IP是一個協議簇，裡面包括很多協議的。UDP只是其中的一個。之所以命名為TCP/IP協議， 因為TCP,IP協議是兩個很重要的協議，就用他兩命名了。

下面我們來講解TCP協議和UDP協議的區別：

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）是面向連接的協議，即在收發數據錢 ，都需要與對面建立可靠的鏈接，這也是面試經常會問到的TCP的三次握手以及TCP的四次揮手！ 三次握手： 建立一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送3個包以確認連接的建立， 在Socket編程中，這一過程由客戶端執行connect來觸發，具體流程圖如下：

• 第一次握手：Client將標志位SYN置為1，隨機產生一個值seq=J，並將該數據包發送給Server， Client進入SYN_SENT狀態，等待Server確認。
• 第二次握手：Server收到數據包後由標志位SYN=1知道Client請求建立連接，Server將標志位 SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產生一個值seq=K，並將該數據包發送給Client以確認連接請求 ，Server進入SYN_RCVD狀態。
• 第三次握手：Client收到確認後，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標志位ACK 置為1，ack=K+1，並將該數據包發送給Server，Server檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則 連接建立成功，Client和Server進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手，隨後Client與Server之間可以 開始傳輸數據了。

四次揮手： 終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送4個包以確認連接的斷開。 在Socket編程中，這一過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發，具體流程圖如下：

• 第一次揮手：Client發送一個FIN，用來關閉Client到Server的數據傳送，Client進入 FIN_WAIT_1狀態
• 第二次揮手：Server收到FIN後，發送一個ACK給Client，確認序號為收到序號+1（與SYN相同， 一個FIN占用一個序號），Server進入CLOSE_WAIT狀態。
• 第三次揮手：Server發送一個FIN，用來關閉Server到Client的數據傳送，Server進入LAST_ACK 狀態。
• 第四次揮手：Client收到FIN後，Client進入TIME_WAIT狀態，接著發送一個ACK給Server，確認序號為收到序號+1，Server進入CLOSED狀態，完成四次揮手。 另外也可能是同事發起主動關閉的情況：

另外還可能有一個常見的問題就是：為什麼建立連接是三次握手，而關閉連接卻是四次揮手呢？ 答：因為服務端在LISTEN狀態下，收到建立連接請求的SYN報文後，把ACK和SYN放在一個報文裡 發送給客戶端。而關閉連接時，當收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發送數據了但是還 能接收數據，己方也未必全部數據都發送給對方了，所以己方可以立即close，也可以發送一些 數據給對方後，再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會 分開發送。

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UDP協議詳解：

UDP(User Datagram Protocol)用戶數據報協議，非連接的協議，傳輸數據之前源端和終端不 建立連接，當它想傳送時就簡單地去抓取來自應用程序的數據，並盡可能快地把它扔到網絡上。 在發送端，UDP傳送數據的速度僅僅是受應用程序生成數據的速度、計算機的能力和傳輸帶寬 的限制；在接收端，UDP把每個消息段放在隊列中，應用程序每次從隊列中讀一個消息段。 相比TCP就是無需建立鏈接，結構簡單，無法保證正確性，容易丟包

——上述內容部分摘自：

TCP/IP三次握手與四次揮手

TCP和UDP的區別（轉）

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4.Java中對於網絡提供的幾個關鍵類：

針對不同的網絡通信層次，Java給我們提供的網絡功能有四大類：

• InetAddress： 用於標識網絡上的硬件資源
• URL： 統一資源定位符，通過URL可以直接讀取或者寫入網絡上的數據
• Socket和ServerSocket： 使用TCP協議實現網絡通信的Socket相關的類
• Datagram： 使用UDP協議，將數據保存在數據報中，通過網絡進行通信

本節我們只介紹前兩個類，Socket與Datagram到TCP和UDP的章節再講解！

~InetAddress的使用例子：

示例代碼：

public class InetAddressTest {
	public static void main(String[] args) throws Exception{
		//獲取本機InetAddress的實例：
		InetAddress address = InetAddress.getLocalHost();
		System.out.println("本機名：" + address.getHostName());
		System.out.println("IP地址：" + address.getHostAddress());
		byte[] bytes = address.getAddress();
		System.out.println("字節數組形式的IP地址：" + Arrays.toString(bytes));
		System.out.println("直接輸出InetAddress對象：" + address);
	}
}

運行結果圖：

~URL：這個就不用說了吧，忘了可以看會前面Http協議講解那裡~

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本節小結：

本節全是概念，看起來可能夠嗆的是把，不過看不懂也沒關系，知道七層模型每層叫 什麼，大概拿來干嘛，還有TCP三次握手和四次揮手，就可以了！當然，這只是為了 應付面試~實際開發我們哪會糾結這個...直接Socket是吧~嗯，下節我們就來開始學習 Android中的Socket通信~謝謝~