JavaEE 初阶第十八期：叩开网络世界的大门
专栏：JavaEE初阶起飞计划
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目录
一、网络发展史
1.1. 独立模式
1.2. 网络互连
二、网络分类
2.1. 局域网
2.2. 广域网
三、IP地址
3.1. 概念
3.2. 格式
四、端口号
4.1. 概念
4.2. 格式
五、协议
5.1. 概念
5.2. 作用
5.3. 五元组
5.4. 协议分层
六、TCP/IP分层模型
七、网络设备所在分层
八、封装和分用
一、网络发展史
1.1. 独立模式
在互联网诞生之前，早期的计算机系统是独立且封闭的。这些大型主机（Mainframe）通常服务于单一机构，比如大学、政府部门或大型企业。每台计算机都拥有自己的操作系统和处理能力，但它们彼此之间无法直接通信或共享数据。这个阶段的计算模式类似于一个独立的岛屿，信息和资源被严格地限制在各自的系统内部。
这种“独立模式”的特点是：
- 封闭性强：系统之间缺乏标准化的通信协议，数据传输需要通过物理介质（如磁带或软盘）手动复制和移动。
- 资源利用率低：每个系统都必须独立拥有所有所需的资源和数据，无法实现资源的集中管理和共享。
- 沟通受限：不同机构或部门之间的数据交换效率低下，极大地阻碍了合作与信息流通。
然而，正是这种模式的局限性，促使人们思考如何让计算机能够互相连接，从而为后来的网络互连奠定了基础。
1.2. 网络互连
“网络互连”是互联网发展史上最关键的飞跃。它的核心思想是创建一个“网络的网络”，让原本孤立的计算机系统能够通过统一的规则互相交流。这一进程始于20世纪60年代末，美国国防部高级研究计划局（ARPA）创建的 ARPANET 是其雏形。
“网络互连”模式的关键转折点是 TCP/IP 协议族的诞生。这套协议就像是不同语言之间的“通用翻译器”，它将数据分割成小的数据包，并确保这些数据包能够准确、高效地在不同类型的网络中传输和重组。这使得不同制造商、不同技术的计算机系统能够首次实现无缝连接。
随着越来越多的网络（包括大学、研究机构和后来的商业网络）接入 ARPANET，并采用 TCP/IP 协议，一个跨越地域、开放互联的全球网络逐渐形成。这就是现代互联网的开端。
二、网络分类
2.1. 局域网
局域网（Local Area Network，简称 LAN）是本地、局部组建的私有网络，也称为内网。其内部主机之间能方便地进行网络通信，但未连接的局域网之间无法直接通信。组建方式多样，包括基于网线直连多台主机，或通过集线器、交换机，以及交换机与路由器组合等方式实现连接。
2.2. 广域网
广域网（Wide Area Network，简称 WAN）则是通过路由器将多个局域网连接起来，形成的大范围网络，局域网是广域网的子网。例如，将分布在各地甚至海外的分公司通过专线连接，便构成广域网；全球化的公共型广域网即互联网（公网、外网），是广域网的子集，有时 “广域网” 也泛指互联网。
三、IP地址
3.1. 概念
IP地址主要用于标识网络主机、其他网络设备(如路由器)的网络地址。简单说，IP地址用于定位主机的网络地址。就像我们发送快递一样，需要知道对方的收货地址，快递员才能将包裹送到目的地。
3.2. 格式
IP地址本质上一个32位的整数，32位地址分成4个部分，以.分割，通常用“点分十进制”来表示，每个部分都是0~255之间的十进制整数。
四、端口号
4.1. 概念
在网络通信中，IP地址⽤于标识主机网络地址，端口号可以标识主机中发送数据、接收数据的进程。 简单说：端口号用于定位主机中的应用程序，像Chrome浏览器、微信，都需要联网。比如，快递，不光需要确认收货地址，还需要确认收件人的手机号。
4.2. 格式
口号是0~65535范围的数字，在网络通信中，进程可以通过绑定⼀个端口号，来发送及接收网络数据。
五、协议
5.1. 概念
协议，网络协议的简称，网络协议是⽹络通信（即网络数据传输）经过的所有网络设备都必须共同遵从的⼀组约定、规则。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。
5.2. 作用
计算机之间的传输媒介是光信号和电信号。通过"频率"和"强弱"来表示0和1这样的信息。要想传递各种不同的信息，就需要约定好双⽅的数据格式。协议如同网络世界的 “语言”，确保不同设备（如计算机、服务器、路由器、手机等）之间能够理解彼此发送的信息，实现有序、可靠的通信。统一了数据格式，合理分配网络资源。
5.3. 五元组
在TCP/IP协议中，是用于唯一标识一个网络连接或数据流的五个关键信息的组合，主要用于网络设备（如路由器、防火墙、负载均衡器）对数据包进行识别、过滤、转发或追踪：
- 源 IP 地址：发送数据包的设备的 IP 地址，用于标识数据的来源设备。
- 目的 IP 地址：接收数据包的设备的 IP 地址，用于标识数据的目标设备。
- 源端口号：发送方设备上发起通信的进程所使用的端口号，通常在客户端随机分配（动态端口）。
- 目的端口号：接收方设备上对应服务的端口号，用于定位目标设备上的特定服务（如 80 端口对应 HTTP 服务）。
- 传输层协议：数据包所使用的传输层协议，常见的有 TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）。
5.4. 协议分层
- 分层的作用
网络通信是一个非常复杂的话题，为了解决复杂的问题，网络协议相应地也会非常复杂。我们就可以进行拆分，每个协议负责一个部分。拆分之后，协议就会变多，还得需要分层，约定协议与协议之间的调用关系。
分层之后，每个协议只负责自己的那一部分，因此协议也更简单，更好理解。并且解耦合更加方便，可以灵活地对协议进行替换。
六、TCP/IP分层模型
- 物理层：网络通信中依赖的硬件设施，网线、光纤、天线；
- 数据链路层：负责两个节点之间的通信，通过网线、光纤或者无线信号连接的设备；
- 网络层：负责任意两个节点之间的路径规划；
- 传输层：管理两个节点之间的数据传输，并且只关心传输的起点和终点，不关心传输的过程；
- 应用层：负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）。
七、网络设备所在分层
- 对于⼀台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容，也即是TCP/IP五层模型的下四层；
- 对于⼀台路由器，它实现了从网络层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下三层
- 对于⼀台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，也即是TCP/IP五层模型的下两层；
八、封装和分用
我们想象这样一个场景：我在微信中想一个好友发送一条信息“hello”。
- 发送方
发送方从应用层输入“hello”，然后点击“发送”按钮。微信应用程序能获取到字符串，然后按照一定的应用层协议构造成应用层数据包。接下来把应用层数据包通过操作系统的API传给传输层。传输层涉及到的TCP/UDP协议打包成传输层数据包。接着再把传输层数据包传到网络层。在网络层，通过IP协议，在传输层数据包的基础上加上IP报头，再传给数据链路层。数据链路层最重要的协议是以太网协议，在IP数据报基础上拼接信息。最后是物理层，需要把0101这样的数据转化成光信号或者电信号通过物理介质传播出去。
- 接收方
在物理层收到光信号或者电信号，转化成0101数字信号，交给数据链路层。数据链路层通过以太网协议进行解析，去掉帧头帧尾，取出载荷，进一步交给网络层。网络层通过IP协议也会进行解析，取出载荷，进一步交给传输层。传输层通过UDP协议，进一步交给应用层。应用层再通过微信应用程序的进行解析，最后把消息显示到界面上。
封装，相当于包装快递；分用，相当于拆快递。
交换机从物理层到数据链路层进行分用，解析到数据之后，会对数据重新进行封装，再次发送出去。