網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)

1. 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)模式

（1）C/S架構(gòu)

client/server架構(gòu)，即客戶端/服務(wù)器架構(gòu)。

- 優(yōu)點(diǎn)：協(xié)議選用比較靈活；可以緩存數(shù)據(jù)，比如說我們?cè)诖蛴螒驎r(shí)，在游戲過程中，實(shí)際上一些音效、圖片都已經(jīng)緩存下來了，想象一下，如果你玩LOL的時(shí)候，音效和動(dòng)畫需要去服務(wù)器實(shí)時(shí)下載，那么游戲會(huì)卡成什么樣子。

- 缺點(diǎn)：對(duì)用戶的安全構(gòu)成威脅，因?yàn)榭蛻舳耸占四男┬畔?，這些信息用于什么工作我們都不知道；客戶端開發(fā)工作量大，調(diào)試?yán)щy，需要考慮多線程和數(shù)據(jù)同步。

- 典型的C/S架構(gòu)比如QQ微信，我們?cè)谑褂肣Q或者微信的時(shí)候都需要安裝一個(gè)客戶端軟件，也就是說，需要安裝客戶端軟件的都是基于C/S架構(gòu)。

?（2）B/S架構(gòu)

browser/server架構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。

- 優(yōu)點(diǎn)：跨平臺(tái)。瀏覽器不需要我們開發(fā)，我們只需要下載一個(gè)瀏覽器即可，并且可以在各個(gè)平臺(tái)通過瀏覽器訪問網(wǎng)站數(shù)據(jù)（手機(jī)、電腦等），那么既然是跨平臺(tái)訪問，在開發(fā)的時(shí)候就需要考慮跨平臺(tái)開發(fā)語言，比如Java和QT等等，QT提供了統(tǒng)一的接口，只不過在不同平臺(tái)下封裝的API不同，有Windows、Linux等，但是可以通過同樣的接口去調(diào)用。Java是運(yùn)行在虛擬機(jī)上的，只要在不同平臺(tái)安裝Java虛擬機(jī)即可。

- 缺點(diǎn)：只能使用http或https去實(shí)現(xiàn)。比如說，我們?cè)跒g覽器輸入百度的域名http://www.baidu.com，這個(gè)域名對(duì)應(yīng)一個(gè)IP，瀏覽器會(huì)根據(jù)解析出的IP向百度的服務(wù)器發(fā)送一個(gè)http請(qǐng)求。

對(duì)于兩種架構(gòu)，并沒有好壞之分，它們的應(yīng)用場(chǎng)景不同。比如說，大型游戲必須要通過客戶端來運(yùn)行，比如我們玩的LOL、DNF、CF都需要下載一個(gè)客戶端。而小型游戲只要在web服務(wù)器運(yùn)行就可以了，比如4399小游戲等。

?2. 協(xié)議

協(xié)議就是指數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)解釋的規(guī)則，典型的協(xié)議比如TCP/UDP協(xié)議、HTTP協(xié)議、FTP協(xié)議、IP協(xié)議、ARP協(xié)議等。

發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)要遵守相同的協(xié)議，否則就無法正確解析。同時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)的大小一般不要太大，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是存放在棧上的，而?？臻g的大小在Linux下默認(rèn)只有8M。

3. 網(wǎng)絡(luò)分層模型

① 七層OSI模型

- 物理層：雙絞線、光纖

- 數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)傳輸、錯(cuò)誤檢測(cè)

- 網(wǎng)絡(luò)層：路由轉(zhuǎn)發(fā)

- 傳輸層：提供端對(duì)端的接口

- 會(huì)話層：解除或建立節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系

- 表示層：數(shù)據(jù)格式化、代碼轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密

- 應(yīng)用層：文件傳輸、電子郵件、文件服務(wù)、虛擬終端

② TCP/IP四層模型

- 數(shù)據(jù)鏈路層

- 網(wǎng)絡(luò)層

- 傳輸層

- 應(yīng)用層

作為程序員主要關(guān)注的是應(yīng)用層協(xié)議（其它三層由操作系統(tǒng)完成），我們可以自己去定義一套應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)際上大公司都有自己的應(yīng)用層協(xié)議。

4. 協(xié)議格式——數(shù)據(jù)包的封裝思想

（1）以太網(wǎng)幀格式

以太網(wǎng)幀是在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，借助mac地址完成數(shù)據(jù)報(bào)的傳遞

MAC地址就是網(wǎng)卡編號(hào)，我們使用ifconfig就可以看到，硬件地址HWaddr就是MAC地址，這個(gè)編號(hào)是全世界唯一的，Windows下ipconfig顯示的物理地址就是MAC地址（Linux中用:間隔，Windows中用-間隔）

以太網(wǎng)幀發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的前提是知道MAC地址，否則就要通過ARP協(xié)議根據(jù)對(duì)方的IP（對(duì)方的IP我們肯定是知道的，不然的話我們?cè)趺唇o他發(fā)數(shù)據(jù)）去獲取對(duì)方的MAC地址，我們只需要關(guān)注類型，0800表示正常發(fā)送數(shù)據(jù)，0806表示要獲取對(duì)方的MAC地址，至于報(bào)文數(shù)據(jù)的填充我們不需要知道，這是操作系統(tǒng)完成的（只有應(yīng)用層協(xié)議的封裝由用戶完成），當(dāng)我們發(fā)送0806類型的數(shù)據(jù)包，對(duì)方會(huì)回復(fù)一條ARP數(shù)據(jù)報(bào)，我們就可以獲得對(duì)方的MAC地址（見下面ARP協(xié)議示意圖）。也就是說，以太網(wǎng)幀是根據(jù)MAC地址發(fā)送數(shù)據(jù)的，并不是根據(jù)IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)，IP地址是用來獲取MAC地址的，獲取到MAC地址后，再通過MAC地址發(fā)送數(shù)據(jù)。RARP協(xié)議就是通過MAC地址獲取IP地址的。

ARP數(shù)據(jù)報(bào)的格式（ARP用于根據(jù)IP地址獲取MAC地址）

ARP協(xié)議的工作示意圖如下

比如說，我們?cè)诒本┮驈V州的人員發(fā)送數(shù)據(jù)，我們只知道對(duì)方的IP不知道MAC地址，那么是如何實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)幀發(fā)送的呢？首先北京的主機(jī)會(huì)向廣州的主機(jī)發(fā)送一個(gè)ARP協(xié)議包，幀類型為0806，以太網(wǎng)源地址和發(fā)送端地址都是北京本地主機(jī)的MAC地址，發(fā)送端IP為北京本地主機(jī)的IP，目的IP為要發(fā)送到的廣州主機(jī)的IP地址，以太網(wǎng)目的地址我們不知道就填充FF。廣州主機(jī)接收到這個(gè)數(shù)據(jù)包之后，會(huì)回復(fù)一個(gè)ARP數(shù)據(jù)包，類型同樣為0806，這其中就包含了廣州主機(jī)的MAC地址，有了這個(gè)MAC地址就可以進(jìn)行以太網(wǎng)幀的發(fā)送了。

（2）IP段數(shù)據(jù)格式

- 4位版本：ipv4、ipv6，當(dāng)前主要是ipv4

- 8位生存時(shí)間(TTL)：最多經(jīng)過多少跳，即路由

- 32位源IP地址：數(shù)據(jù)發(fā)送端地址

- 32位目的IP地址：數(shù)據(jù)接收端地址

需要注意的是，IP協(xié)議和IP地址是兩個(gè)不同的概念，不要混淆。

關(guān)于路由：每經(jīng)過一個(gè)路由結(jié)點(diǎn)，TTL減一，為了防止無限跳導(dǎo)致垃圾數(shù)據(jù)包，這個(gè)操作是由路由器完成的，當(dāng)TTL減為0，路由器就不會(huì)再轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)數(shù)據(jù)包了，而是直接丟棄。假如要從中國(guó)通過其他國(guó)家，可能通過海底光纖一跳就到達(dá)了，所以完全不必?fù)?dān)心256跳（2的8次方）不夠用，并且路由會(huì)選擇最短路徑。

（3）UDP數(shù)據(jù)包格式

在UDP數(shù)據(jù)包中包含一個(gè)16位源端口號(hào)和一個(gè)16位目的端口號(hào)，端口號(hào)是用來標(biāo)識(shí)進(jìn)程的，每個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)位一一個(gè)PID。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，IP可以定位網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)主機(jī)，而port端口可以定位一臺(tái)主機(jī)中的一個(gè)進(jìn)程，格式一般為IP:Port，比如127.0.0.1:80。端口是16位的，端口最大值為65535(2的16次方減一)。

（4）TCP數(shù)據(jù)報(bào)格式

這里有一個(gè)16位的滑動(dòng)窗口，滑動(dòng)窗口實(shí)際上是代表了存儲(chǔ)空間的大小。比如說，A給B發(fā)送數(shù)據(jù)，A發(fā)送的速度快，而B處理數(shù)據(jù)的速度較慢，那么A發(fā)送的數(shù)據(jù)就要先存儲(chǔ)起來，B就可以告訴A我的滑動(dòng)窗口是多大，也就是我能緩存多少數(shù)據(jù)，A發(fā)送的數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在這個(gè)緩存中，當(dāng)緩存區(qū)滿了后，A就不在發(fā)送了?；瑒?dòng)窗口就是做流量控制的，當(dāng)B的緩存區(qū)滿了，A就會(huì)阻塞，等到B處理了一部分?jǐn)?shù)據(jù)后，A再發(fā)送數(shù)據(jù)。

在傳輸層是不需要封裝IP地址的，這是因?yàn)閭鬏攲拥臄?shù)據(jù)包還要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層的包裝，而網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議中已經(jīng)封裝了IP地址，所以傳輸層就不需要IP了，傳輸層主要是封裝端口號(hào)，端口號(hào)用于標(biāo)識(shí)源主機(jī)哪個(gè)進(jìn)程傳遞給目標(biāo)主機(jī)的哪個(gè)目標(biāo)進(jìn)程。

?（5）數(shù)據(jù)的封裝過程

5. TCP/UDP傳輸層協(xié)議簡(jiǎn)介

（1）TCP協(xié)議

面向連接的安全的流式傳輸協(xié)議

- 連接的時(shí)候，自動(dòng)進(jìn)行三次握手

- 數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)，是否收到

- 數(shù)據(jù)丟失之后，會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳

（2）UDP協(xié)議

面向無連接的不安全的報(bào)式傳輸

- 連接的時(shí)候不會(huì)握手，通過IP和PORT連接

- 數(shù)據(jù)發(fā)送出去之后就不再管了，即不在乎對(duì)方收沒收到

實(shí)際上，雖然UDP不會(huì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)，也就是不安全的，但是實(shí)際上我們可以在應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)做校驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)UDP的安全傳輸，比如說QQ發(fā)消息就是使用的UDP協(xié)議，但是它在應(yīng)用層自己定義了一套協(xié)議來保證安全傳輸，如果傳輸失敗可以再次傳輸，而QQ密碼校驗(yàn)和文件傳輸則是使用TCP傳輸。

?6. DNS服務(wù)器

DNS服務(wù)器也叫做域名解析服務(wù)器，根據(jù)域名解析出IP地址，比如說在瀏覽器輸入一個(gè)域名www.baidu.com，該域名將會(huì)通過DNS服務(wù)器解析得到IP地址。DNS根服務(wù)器在全世界總共有13臺(tái)，其中美國(guó)10臺(tái)，英國(guó)、瑞典、日本各有一臺(tái)。如果其他國(guó)家不向中國(guó)提供域名解析服務(wù)，那么我們就無法上網(wǎng)了，所以中國(guó)現(xiàn)在主推IPv6，實(shí)現(xiàn)DNS根服務(wù)器的多國(guó)治理。