网络编程基本概念

网络通信和协议#

网络通信 指的是不同设备之间通过网络交换数据的过程。
两台主机想要正确通信，必须遵循统一的规则，这些规则就叫做协议。

协议本质上约定了：数据如何封装、如何发送、如何接收、如何校验，以及出现错误后如何处理。

网络协议和OSI网络模型#

网络协议 是一组通信规则，用来保证不同厂商、不同系统的设备能够互联互通。
为了更清晰地理解网络通信过程，人们把复杂的通信过程分层描述，典型代表就是 OSI 七层模型。

OSI 七层模型 自下而上分别是：

物理层：负责比特流传输，例如网线、电信号、光信号。
数据链路层：负责相邻节点之间的数据传输，例如 MAC 地址、帧。
网络层：负责路径选择与跨网络传输，例如 IP 协议。
传输层：负责端到端通信，例如 TCP、UDP。
会话层：负责建立、管理、终止会话。
表示层：负责数据格式转换、加密解密、压缩解压。
应用层：直接为用户程序提供服务，例如 HTTP、FTP、SMTP。

OSI 模型的意义 主要在于：

降低网络系统设计复杂度。
让每一层只关注自己的职责。
便于协议标准化与模块化开发。
出现故障时更容易定位问题。

TCP/IP模型#

在实际互联网中，更常用的是 TCP/IP 模型。
它比 OSI 模型更贴近真实网络实现，通常分为四层或五层。

常见四层 TCP/IP 模型 包括：

网络接口层：对应 OSI 的物理层和数据链路层。
网络层：主要协议是 IP，负责寻址和路由。
传输层：主要协议是 TCP 和 UDP，负责进程之间的通信。
应用层：包含 HTTP、HTTPS、DNS、FTP 等协议。

数据在发送时会经历逐层封装：

应用层产生原始数据。
传输层添加 TCP 头或 UDP 头。
网络层添加 IP 头。
网络接口层再封装成帧并发送。

接收方则进行逐层拆包，还原出原始数据。

IP地址#

IP 地址 用于唯一标识网络中的一台主机。
可以把它理解为设备在网络中的地址，没有 IP 地址，数据就不知道该发送到哪里。

IP 地址主要分为两类：

IPv4：由 32 位二进制组成，通常写成点分十进制形式，例如 192.168.1.10。
IPv6：由 128 位二进制组成，地址空间更大，例如 2001:db8::1。

按照使用范围，IP 地址还可以分为：

公网 IP：可在互联网中直接访问。
私网 IP：通常用于局域网内部，常见网段有 192.168.x.x、10.x.x.x、172.16.x.x 到 172.31.x.x。

在网络通信中，IP 地址负责找到目标主机，但只靠 IP 地址还不能确定具体是主机上的哪个程序在通信，因此还需要 端口号。

端口号#

端口号 用于标识一台主机上的某个具体应用程序或服务。
IP 地址定位的是主机，端口号定位的是主机中的进程。

端口号范围 是 0 ~ 65535，通常分为：

知名端口：0 ~ 1023，例如 HTTP 默认端口 80，HTTPS 默认端口 443。
注册端口：1024 ~ 49151，常用于某些固定服务。
动态或私有端口：49152 ~ 65535，通常由客户端临时使用。

例如访问网站时，目标可能是：

服务器IP + 80端口

这表示把数据发送到某台服务器上的 Web 服务程序。

客户端和服务端#

网络程序通常分为 客户端 和 服务端 两部分。

服务端：负责提供服务，通常长期运行并监听固定端口，等待客户端连接或请求。
客户端：负责发起请求，主动去连接服务端并获取结果。

以浏览器访问网页为例：

浏览器是客户端。
网站服务器是服务端。
浏览器向服务器发起请求。
服务器返回网页数据给浏览器。

在编程中，两者职责不同：

服务端 重点在于监听、接收连接、处理多个请求。
客户端 重点在于连接目标主机、发送请求、接收响应。

UDP和TCP#

UDP 和 TCP 都是传输层协议，用于实现进程与进程之间的通信，但两者设计目标不同。

协议	主要特点
UDP	无连接、速度快、开销小，但不保证可靠性
TCP	面向连接、可靠、有序，但开销较大

简单理解：

UDP 更像“发消息”，发出去就结束，不确认对方是否收到。
TCP 更像“打电话”，先建立连接，再进行可靠通信。

UDP网络协议#

UDP 全称是 User Datagram Protocol，即 用户数据报协议。
它在发送数据之前不需要建立连接，直接把数据打包后发出去，因此效率较高。

UDP 的通信特点是 面向数据报。发送方每发送一次，就是一个独立的数据包；接收方一次接收的也是一个完整数据报。

UDP编程步骤#

UDP 编程的一般流程如下：

创建 Socket 对象，指定使用 UDP 协议。
如果是接收方，可以绑定本地 IP 和端口。
发送方直接调用发送接口，把数据发送到目标 IP 和端口。
接收方调用接收接口，获取数据报。
通信结束后关闭 Socket。

UDP 通信通常不需要先建立连接，因此实现简单，适合快速收发短消息。

UDP特点与优缺点#

UDP 的特点：

无连接。
不保证数据一定到达。
不保证数据按顺序到达。
没有重传机制。
首部开销小，效率较高。

UDP 的优点：

传输速度快。
实现简单。
资源消耗较小。
适合实时性要求高的场景。

UDP 的缺点：

容易丢包。
数据可能乱序。
不能自动处理可靠传输问题。

UDP应用场景#

UDP 常用于 对实时性要求高、对少量丢包可容忍的场景，例如：

语音通话。
视频直播。
在线游戏中的实时状态同步。
DNS 查询。
局域网广播和组播。

TCP网络协议#

TCP 全称是 Transmission Control Protocol，即 传输控制协议。
它是一种 面向连接、可靠、有序、基于字节流 的传输协议。

在正式通信之前，TCP 需要先建立连接；通信结束后，还要断开连接。
为了保证可靠性，TCP 提供 确认应答、超时重传、流量控制、拥塞控制 等机制。

TCP编程步骤#

TCP 编程的一般流程如下：

服务端步骤：

创建 ServerSocket 或监听 Socket 对象。
绑定本地 IP 和端口。
监听客户端连接。
接收到连接后，得到与客户端通信的 Socket 对象。
通过输入输出流或收发接口与客户端交换数据。
通信结束后关闭连接。

客户端步骤：

创建 Socket 对象。
主动连接服务端 IP 和端口。
连接成功后发送数据。
接收服务端返回的数据。
通信结束后关闭连接。

TCP特点与优缺点#

TCP 的特点：

面向连接。
可靠传输。
按顺序到达。
基于字节流。
具有流量控制和拥塞控制机制。

TCP 的优点：

数据可靠，不易丢失。
能保证顺序。
适合传输重要业务数据。

TCP 的缺点：

建立连接和断开连接有额外开销。
传输速度通常比 UDP 慢。
协议实现更复杂。

TCP应用场景#

TCP 适用于 对准确性、完整性要求高的场景，例如：

网页访问。
文件传输。
邮件发送。
数据库连接。
即时通信中的可靠消息传输。

Socket编程#

Socket 可以理解为网络通信的“插座”或“接口”，应用程序通过它与传输层协议进行交互。
无论是 TCP 还是 UDP 编程，最终通常都要通过 Socket 来完成数据发送和接收。

Socket 编程的核心作用包括：

创建网络通信端点。
绑定本地地址和端口。
建立连接或直接发送数据。
接收远程主机发来的数据。
在通信结束后释放资源。

根据协议不同，Socket 编程可以分为两类：

UDP Socket：无连接，直接发送数据报。
TCP Socket：面向连接，需要先建立连接再通信。