网络编程相关概念

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2023-10-02 16:36 2阅读 0赞

## 网络编程相关概念 ##

最近在看`Tomcat`源码，涉及到网络编程模型，所以将这块的知识点进行一个归纳整理。

### 网络 ###

网络是由若干节点（计算机）和连接这些节点的链路构成，表示诸多对象及其相互联系。

#### 网络特性 ####

*  1、资源共享

> 网络的主要功能就是资源共享。共享的资源包括软件资源、硬件资源以及存储在公共数据库中的各类数据资源。网上用户能部分或全部地共享这些资源，使网络中的资源能够互通有无、分工协作，从而大大提高系统资源的利用率。

*  2、快速传输信息

> 分布在不同地区的计算机系统，可以通过网络及时、高速地传递各种信息，交换数据，发送电子邮件，使人们之间的联系更加紧密。

*  3、提高系统可靠性

> 在网络中，由于计算机之间是互相协作、互相备份的关系，以及在网络中采用一些备份的设备和一些负载调度、数据容错等技术，使得当网络中的某一部分出现故障时，网络中其他部分可以自动接替其任务。因此，与单机系统相比，计算机网络具有较高的可靠性。

*  4、易于进行分布式处理

> 在网络中，还可以将一个比较大的问题或任务分解为若干个子问题或任务，分散到网络中不同的计算机上进行处理计算。这种分布处理能力在进行一些重大课题的研究开发时是卓有成效的。

*  5、综合信息服务

> 在当今的信息化社会里，个人、办公室、图书馆、企业和学校等，每时每刻都在产生并处理大量的信息。这些信息可能是文字、数字、图像、声音甚至是视频，通过网络就能够收集、处理这些信息，并进行信息的传送。因此，综合信息服务将成为网络的基本服务功能。

#### 网络四要素 ####

*  通信线路和通信设备
 *  有独立功能的计算机
 *  软件支持
 *  实现数据通信与资源共

#### 网络分类 ####

1、按拓扑结构分类：总线型、环型、星型、网状 2、按信息交换方式分类：电路交换、报文交换、报文分组交换 3、按覆盖范围分类：局域网`LAN`、广域网`WAN`

> 局域网：局部区域网络(local area network)通常简称为"局域网",缩写为LAN。局域网是结构复杂程度最低的计算机网络。局域网仅是在同一地点上经网络连在一起的一组计算机。局域网通常挨得很近，它是如今应用最广泛的一类网络。
> 
> 广域网：广域网网络(wide area network)又称外网、公网。是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。

### TCP与IP ###

#### 定义 ####

`TCP/IP`协议(`Transfer Control Protocol/Internet Protocol`)叫做传输控制/网际协议，又叫网络通讯协议，它包括上百个各种功能的协议，而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。 通常说`TCP/IP`是Internet协议簇，而不单单是`TCP`和`IP` `TCP/IP`协议的基本传输单位是数据包(Datagram)。`TCP`协议负责把数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上包头；`IP`协议在每个包头上再加上接收端主机地址， 这样数据找到自己要去的地方。如果传输过程中出现数据丢失、数据失真等情况，`TCP`协议会自动要求数据重新传输，并重新组包。总之，`IP`协议保证数据的传输，`TCP`协议保证数据传输的质量

#### TCP与IP协议结构 ####

`TCP/IP`协议数据的传输基于`TCP/IP`协议的四层结构：应用层（应用层、表示层、会话层）、传输层、网络层、网络接口层(数据链路层、物理层)，数据在传输时每通过一层就要在数据上加个包头， 其中的数据供接收端同一层协议使用，而在接收端，每经过一层要把用过的包头去掉，这样来保证传输数据的格式完全一致。如下为4层(包含`OSI`七层)示意图：

!\[\](https://img-blog.csdnimg.cn/img\_convert/63b0069cb2a616ba795bd21714b92b4f.png)

\#\#\#\# 各层作用 - 物理层：原始的比特流的传输，电子信号传输。 - 数据链路层：将数据分帧，并且处理流控制，指定拓扑结构并且提供硬件寻址。 - 网络层：通过寻址建立俩个节点之间的连接。 - 传输层：数据递送 - 会话层：在两个节点之间建立连接 - 表示层：格式化数据，方便为应用程序提供通用的接口 - 应用层：直接为应用程序提供服务

### IP地址 ###

`Internet`依靠`TCP/IP`协议，在全球范围内实现不同硬件结构、不同操作系统、不同网络系统的互联。在`Internet`上，每一个节点都依靠的`IP`地址互相区分和相互联系。 `IP`地址是一个32位二进制数的地址,由4个8位字段组成，每个字段之间用点号隔开,用于标识`TCP/IP`宿主机。

### IO ###

在`linux`系统中有一句话：*一切皆文件* ，文件就是流的概念，在进行信息的交流过程中，对这些流进行数据的收发 操作就是`IO`操作。

不管`socket`、管道、终端，对`Linux`来说，一切都是文件，一切都是流。在信息 交换的过程中，我们都是对这些流进行数据的收发操作， 简称为`I/O`操作(`input and output`)，往流中读出数据，系统调用`read`，写入数据，系统调用`write`。值得一提的是计算机里有这么多的流， 怎么知道要操作哪个流呢？这里就有可文件描述符的概念，即通常所说的`fd`，一个`fd`就是一个整数，所以，对这个整数的操作，就是对这个文件（流）的操作。 我们创建一个`socket`,通过系统调用会返回一个文件描述符，那么剩下对`socket`的操作就会转化为对这个描述符的操作。

### 同步 ###

所谓同步就是每件事情必须有回应才能进行下一件事情，也就是说必须一件一件的事情来做。如下图：

![synchrony-mode.png][]

### 异步 ###

所谓异步就是客户端发送完事件后可以干其他的事情，可以继续发送其他的请求，等到服务端处理完成后，通过 回调将结果告知客户端就可以。如下图：

![asynchronism-mode.png][]

### 阻塞 ###

所谓阻塞就是在请求没有处理完成之前，线程一直处于等待的状态，直到线程处理完成后才给返回结果。

### 非阻塞 ###

所谓非阻塞就是在请求没有处理完成之前，直接返回结果。不用等到线程处理完成之后才有响应。

### IO模型 ###

#### 同步阻塞IO模型 ####

所有的套接字默认都是阻塞的，它要等到有 ***数据包到达并且被复制到应用程序的进程缓冲区中或者出现了异常*** 才被返回 否则一直阻塞。模型如下图：

![blocking-net-model.png][]

> 原理：用户线程通过系统调用read发起IO读操作，由用户空间转到内核空间。 内核等到数据包到达后，然后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操作。

#### 同步非阻塞IO模型 ####

非阻塞`IO`通过进程反复调用`IO`函数（多次系统调用，并马上返回），知道等待待成功的通知。如下图：

![noblocking-net-model.png][]

> 原理：由于socket是非阻塞的方式，因此用户线程发起IO请求时立即返回。 但并未读取到任何数据， 用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。

#### 同步IO多路复用模型 ####

可以通过系统调用`select、poll、epoll`实现`IO`复用模型。此时进程就会组赛在这些系统调用上，而不是阻塞在真正的`IO`操作上， 直到有就绪事件了，这些系统调用就会返回哪些套接字可读写，然后就可以进行把数据包复制到应用进程缓冲区了 `IO`多路复用模型是建立在内核提供的多路分离函数`select`基础之上的，使用`select`函数可以避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题。如下图：

![multiplexer-net-model1.png][]

> 原理：将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系统调用返回。 当数据到达时，socket被激活，select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行。

#### 异步IO模型 ####

由用户进程告知内核启动一个操作，并且由内核去操作，操作完后给用户进程发一个通知，通知用户进程操作完了。如下图

![asynchronous-net-model.png][]

> 异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕，并放在了用户线程指定的缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可

### 小结 ###

以上的相关概念是作者认为学习网络编程中，我们应该知道的一些概念。我们在学习以后的内容的时候，都是以这些为基础的。

![E6_89_AB_E7_A0_81_E6_90_9C_E7_B4_A2_E8_81_94_E5_90_88_E4_BC_A0_E6_92_AD_E6_A0_B7_E5_BC_8F-_E6_A0_87_E5_87_86_E8_89_B2_E7_89_88.png][]

[synchrony-mode.png]: https://cdn.triumphxx.com.cn/%20net/synchrony-mode.png
[asynchronism-mode.png]: https://cdn.triumphxx.com.cn/net/asynchronism-mode.png
[blocking-net-model.png]: https://cdn.triumphxx.com.cn/%20net/blocking-net-model.png
[noblocking-net-model.png]: https://cdn.triumphxx.com.cn/%20net/noblocking-net-model.png
[multiplexer-net-model1.png]: https://cdn.triumphxx.com.cn/net/multiplexer-net-model1.png
[asynchronous-net-model.png]: https://cdn.triumphxx.com.cn/net/asynchronous-net-model.png
[E6_89_AB_E7_A0_81_E6_90_9C_E7_B4_A2_E8_81_94_E5_90_88_E4_BC_A0_E6_92_AD_E6_A0_B7_E5_BC_8F-_E6_A0_87_E5_87_86_E8_89_B2_E7_89_88.png]: http://cdn.triumphxx.com.cn/img/%E6%89%AB%E7%A0%81_%E6%90%9C%E7%B4%A2%E8%81%94%E5%90%88%E4%BC%A0%E6%92%AD%E6%A0%B7%E5%BC%8F-%E6%A0%87%E5%87%86%E8%89%B2%E7%89%88.png