2021 January 20 计算机网络

网络协议一：基本概念

学习中需要搭建的环境

  1. 客户端-服务器开发环境
    1. 客户端：浏览器（HTML+CSS+JS）
    2. 服务器：Java
  2. 网络抓包
    1. 浏览器（Chrome、Firefox）、Fiddler、Wireshark
  3. 模拟工具
    1. Xshell（只有Windows版）、Packet Tracer（注册地址）、GNS3

语言的跨平台原理

1.C/C++的跨平台原理

  1. 原理：使用平台相关的编译器生成对应平台的可执行文件 图1

2.Java的跨平台原理

图1

  1. java的跨平台：一次编译，到处运行
    1. 编译生成跟平台无关的字节码文件（class文件）
    2. 由对应平台的JVM解析字节码为机器指令（010101）
  2. JVM（Java Virtual Machine）：Java虚拟机
  3. 如果代码有语法错误，将编译失败，并不会生成字节码文件
    1. 那就不会去运行一个JVM程序。最后导致 程序运行失败
  4. 注意：
    1. C/C++编译之后直接可以生成平台对应的可执行文件
    2. Java编译之后（*.class）不是可执行文件，是字节码文件
    3. C/C++不同系统需要多次编译，Java不同系统只需要编译一次。
    4. 对应平台要运行java编译的字节码文件必须安装JVM，而且要启动运行起来

服务器的搭建

1.必装工具

  1. JDK: https://www.oracle.com/java/technologies/javase-downloads.html
    1. 需要配置Path、JAVA_HOME
  2. Tomcat:https://tomcat.apache.org
  3. InteliJ IDEA Ultimate:https://www.jetbrains.com/idea/download/

2.客服端、服务器概念

  1. 服务器就是一台计算机，这台计算机对CPU和内存要求比较高
  2. 服务器有很多端口，每个端口对应一个服务器软件
  3. 一个服务器软件下面可以部署n个java项目（比如：qq、微信等应用的后台）
  4. Tomcat：
    1. java中的服务器软件，免费开源
    2. Tomcat这个软件也是由java开发的，因此要运行这个Tomcat软件必须通过JVM
  5. 因此要想搭建一个服务器步骤如下：
    1. 在一台计算机上安装、启动一个JVM用来加载执行Tomcat
    2. 然后在该机器上安装服务器软件Tomcat
    3. 把开发人员编写的java代码部署到这个服务器软件Tomcat中
    4. Tomcat就可以执行这个java代码
  6. 客户端请求服务器的过程
    1. 客户端发送请求到服务器
    2. 服务器根据请求的端口找到对应的服务器软件Tomcat
    3. Tomcat根据请求信息去找到对应的java代码，执行java代码并返回结果给客户端

图1

3.开发环境配置

  1. 安装工具前先在F盘目录新建一个Dev目录，在该目录下新建一个Java文件夹
  2. 下载和安装JDK（8、13）:安装到Java目录下
    1. JDK是什么？
      1. Oracle以74亿美元收购sun公司的Java，因此Orcal是Java的官方
      2. Oracle会提供一个叫JDK的东西，JDK中包含一个叫JRE的东西
      3. JRE即Java Runtime Environment，Java运行环境
      4. 有了JRE就相当于有了JVM
      5. 因此只要电脑上安装了JDK，就相当于有了JVM环境
    2. 安装JDK步骤
      1. 详见java博客
      2. 注意：需要配置Path、JAVA_HOME
  3. 下载和安装IDEA (破解版本)，安装到Java目录下
  4. 安装Tomcat
    1. 直接解压到文件夹即可,解压到Java目录下
    2. 启动：打开bin文件，找到startup.bat，双击即可,默认占用的是8080端口
    3. 此时就可以访问了：http://127.0.0.1:8080/docs
    4. 上面访问的是Tomcat安装目录下的webapps文件夹下的docs文件中的资源

4.搭建Java服务器开发环境

  1. IDEA新建项目
    1. 打开IDEA->New Project->左边选择Empty Project->next->Project name：设置项目名称（NetWork）,设置项目路径（也可以在Java目录下新建一个文件夹存放F:\Java\Codes\NetWork）->Finish
    2. 此时弹出Project Structure窗口，选择Project Setting ->Modules->点击左上角的加号“+”->New Module->弹出一个窗口，选择Java，Module SDK中选择为JDK8->next->Module name：自定义模块名称（01_HelloWorld）->点击Finish->点击OK
    3. 项目文件列表
      1. 01_HelloWorld文件夹下有个src文件夹，内部专门用于写Java源码
      2. External Libraries:该文件夹下存放整个项目依赖的库，目前有一个JDK8的库（1.8）
  2. 初始化代码
    1. 右击src->New->Java Class->Main->回车，新建一个Main类
    2. 在该类中新增一个main函数，写测试代码，右击选择运行(Run)执行测试代码
  3. 新增web服务器模块
    1. 右击01_HelloWorld点击Add Framework Support…，勾选Web Application点击OK
    2. 此时生成一个与src平级的web文件夹
    3. 这个web文件夹就是给客户端提供的资源
    4. 在这个文件夹中新增html、css、img等文件夹分别编写相应的web代码
  4. 为当前项目添加Tomcat服务（Java项目要部署在服务器软件中）
    1. 点击IDEA工具绿色小锤标识右边的框，选择Edit Configurations…
    2. 点击左上角的加号“+”->选择Tomcat Server下的Local->为Tomcat依赖命名（Tomcat9）->点击Configure…选择Tomcat解压的本地路径(F:\Java\apache-tomcat-9.0.34)
    3. 点击Deployment(部署)点击右边的加号“+”,选择Artifact…(打包)
    4. 设置Application context：中的路径(/hello),这个路径的作用是用来区别当前Tomcat下的哪一个项目。一个Tomcat下可以部署n个Java项目，为了区别访问哪一个项目因此这里用路径指定
    5. 点击OK即可
    6. 此时点击右上角的虫子图标（断点调试），则启动Tomcat，并将当前的Java项目部署到Tomcat中；然后浏览器自动打开http://localhost:8080/hello/显示的网页是web文件夹下的index.jsp内容，即该路径访问的是web文件夹下的所有资源，默认寻找index的文件
    7. 可以在web下新建一个test.html，编写测试代码，然后点击甲壳虫，选择Redeploy（重新部署：因为是Java项目代码发生了改变，因此需要重启Tomcat服务,只需要重新部署Java代码即可），浏览器访问：http://localhost:8080/hello/test.html，就可以看到编写的测试代码
    8. 同理可以在web文件夹下新建html、css、img文件夹(右击web->new->Directory)，存放不同的资源用于浏览器访问

      1. 在html文件夹下新建一个login.html文件，编写登录代码：

         <form action="/hello/login" method="get">
     <div>用户名<input name="username"></div>
     <div>密码<input name="password"></div>
     <button type="submit">登录</button>
 </form>
  5. 接收客户端发送过来的登录请求参数
    1. 如果Java项目需要接收客户端的参数需要依赖一个Servlet这个技术
    2. Servlet这个库在Tomcat中，需要在项目中添加依赖库
    3. 点击右上角倒数第三个图标（Project Structure…）->点击Modules->01_HelloWorld->Dependencies->点击加号“+”选择Library->选择Tomcat9.0.34->add Selected->点击OK即可； 此时项目文件目录的External Libraries文件夹下面就会多一个Tomcat9.0.34库
    4. 在src文件目录下，右击new->java Class->com.zh.servlet.LoginServlet，回车即可
      1. LoginServlet是类名
      2. com.zh.servlet：是包名，也是命名空间，每个点代表文件目录的节点，三层文件夹，com文件夹下的zh文件夹下的servlet文件夹下的LoginServlet类
      3. 包名是用来区分具有相同类名的类，包名的约定俗成：公司的域名反过来写

    5. 在LoginServlet类中编写接收客户端代码：

       /*
 处理登录请求
 1. 继承HttpServlet,才能处理http请求
 2. 使用@WebServlet，说明它要处理的请求路径
 * */
 @WebServlet("/login")
 public class LoginServlet extends HttpServlet {
     //处理get请求
     @Override
     protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
         System.out.println("------doget-----------");
         //统一函数处理
         doPost(req,resp);
     }
     //处理post请求
     /**
      * HttpServletRequest req: 请求，用来获取客户端发送的数据
      * HttpServletResponse resp：响应，用来给客户端返回数据
      * */
     @Override
     protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
         System.out.println("-------dopost---------");
         //获取客户端发送的数据（请求参数）
         String username = req.getParameter("username");
         String password = req.getParameter("password");
         System.out.println(username + "---" + password);
        
         //2. 判断
         if("123".equals(username) && "456".equals(password)){
             System.out.println("登录成功");
             resp.getWriter().write("Login Success!");
         }else {
             System.out.println("登录失败");
             resp.getWriter().write("Login Error!");
         }
     }
 }

网络互连模型

1.常见的网络模型

图1

  1. 为了更好地促进互联网络的研究和发展，国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型
    1. OSI 参考模型（Open System Interconnect Reference Model），具有 7 层结构
  2. TCP/IP协议模型是实际使用中的模型
  3. 有些研究机构为了方便研究把它分为了五层

2.网络数据传输的过程

图1

  1. 注意：数据从应用层开始传输，每层加协议头，但是链路层两头都加

计算机之间的通信

计算机之间的通信基础

  1. 需要得知对方的IP地址
  2. 最终是根据MAC地址（网卡地址），输送数据到网卡，被网卡接收
    1. 如果网卡发现数据的目标MAC地址是自己，就会将数据传递给上一层进行处理
    2. 如果网卡发现数据的目标MAC地址不是自己，就会将数据丢弃，不会传递给上一层进行处理
  3. 即：两台计算机之间通信不仅需要IP地址，还需要MAC地址，MAC地址就是网卡的地址，被放在数据包中传递
  4. 问题：只知道对方PC的IP的情况下如何才能拿到对方的MAC地址呢？
    1. PC机1先通过ARP协议（协议数据中包含目标PC的IP地址）向当前网段的所有PC发送广播，当目标PC2接收到广播发现协议中的IP地址是自己时，将自己的MAC地址发送给源PC，然后源PC1在通过目标PC2的IP地址、MAC地址进行ICMP协议进行数据传输
    2. ARP协议是有缓存的，会缓存MAC地址，下次发送数据直接通过IP地址、MAC地址进行ICMP协议进行数据传输

网络模拟工具PacketTracer

  1. 该工具是一个网络模拟工具
  2. 该工具必须先注册官网（密码：12**zhonG）
  3. 利用该工具可以配置n台电脑、路由器、各种网线等元件，搭建一个模拟的网络系统，然后进行模拟通信
  4. 注意：
    1. 每个元器件要设置参数，否则不能使用，比如：拉了2台PC，然后用交叉线连接，然后需要给这2台PC分别设置IP地址，然后使用任何一台PC来ping另外一台的IP地址，可以发现ping通
    2. 该软件是英文版可以汉化，汉化包在百度云盘中

计算机之间的连接方式

  1. 用网线直连
    1. 即两台PC用一根交叉线直接相连
    2. 缺点：网线直连无法解决多台PC之间的相互连接
  2. 同轴电缆（Coaxial）
    1. 可以实现多台PC之间的相互连接
    2. 缺点：
      1. 半双工通信：同一时刻只能往一个方向发送数据，即A向B发送数据的同时，B不能向A发送数据
      2. 容易冲突：由于同一时刻只能单向发送数据，如果其他PC也发送此时会冲突
      3. 不安全：PC1发送数据时会同时发送到该网段的所有PC
      4. 中间断了，整个都瘫了
  3. 集线器（Hub）
    1. 集线器这个设备可以同时连接n台电脑
    2. 缺点：
      1. 半双工通信
      2. 容易冲突
      3. 不安全
      4. 跟同轴电缆一样：没有智商
    3. 相比同轴电缆电缆的优点：一个PC断开不影响其他PC之间通信，不会瘫痪
    4. 疑问：如果一个集线器连接了n（n>1000）个PC,那么任何一个设备发送一条消息,就要分别传递到剩余的n-1台PC上，这样发送一条数要占用很长的时间，这段时间其他设备是不能发送的。因此设备越多效率越低。如何解决这个问题呢？—-网桥
  4. 网桥（Bridge）
    1. 能够通过自学习得知每个接口那侧的MAC地址
      1. 从而起到隔绝冲突域的作用
    2. 网桥只有两个接口，分别接2个集线器，即网桥专门用来连接集线器的
    3. 自学习原理：
      1. 网桥内部有个接口MAC地址表
      2. 当PC1第一次传输数据时首先还是会进行ARP广播，此时网桥会记录PC1的MAC地址。当目标PC2通过ARP响应时，集线器也会记录PC1的MAC地址。这样集线器中就记录了2个PC的MAC地址。照此下去，当某个PC发送数据时，通过集线器时，如果集线器已经知道目标的MAC地址不再另一侧，那么就会直接截断不会向另一侧传送
    4. 注意：理解网桥是理解交换机的前提
  5. 交换机（switch）
    1. 相当于接口更多的网桥
    2. 全双工通信：同一时刻可以相互发送数据
    3. 思考
      1. 全球所有的设备都用交换机连接会是什么情况？
      2. 答：如果全球PC都在一个网段，那么交换机学习前的ARP广播阶段,一台PC第一次与另一台PC进行发送数据，首先仍然是ARP广播，此时仍然需要发送给全球所有的PC,如果每台PC都这样的话就会形成广播风暴，那么任然存在效率问题
      3. 此时路由器的作用得以体现
  6. 路由器（Router）
    1. 网线直连、同轴电缆、集线器、网桥、交换机特点：
      1. 连接的设备必须在同一网段
      2. 连接的设备处在同一广播域
    2. 路由器
      1. 可以在不同网段之间转发数据
      2. 隔绝广播域
    3. 路由器注意点：
      1. 同一个网段形成广播域，但是路由器是隔断广播域的，那么ARP广播获取MAC地址就无效，那么一个网段的PC向另一个网段的PC发送数据时,如何才能获取到目的PC的MAC地址呢？
      2. 解决办法：PC1发数据之前会判断目标PC2的IP地址是否跟源PC1在同一个网段
        1. 在同一个网段：使用ARP广播来获取MAC地址
        2. 不在同一个网段：通过路由器转发数据，路由器的每个接口都提供一个叫网关的东西，本质是用网关之间传输数据
    4. 路由器的出现实现了n个局域网能够相互通信，从而形成互联网

图1

图1

通过路由器转发数据原理
  1. 如果一个数据要跨网段传输，这条数据先到达该网段对应的路由器接口的网关，然后路由器根据这个网关数据携带的目的IP地址，找到目的IP地址对应的网关，由目的网关传输给目的网段
  2. 如果有2个网段（192.168.3、192.168.4）中间有个路由器连接，那么每个网段都对应一个网关
  3. 网关相互传递的2个前提条件：每个网段对应的网关也必须设置IP地址（比如192.168.3.1、192.168.4.1），以确保这个网关的IP地址与其连接的网段在同一局域网;这个网段的所有PC都必须设置网关地址
  4. 这也就解释了买完家庭路由器之后，需要配置路由器的网关，通常是：192.168.1.1；每台电脑IP地址设置的地方都有一个网关地址设置
  5. 注意：跨网段发送数据时，首先也需要通过发送ARP广播获取该网段网关的MAC地址，然后下次才正式通过ICMP协议发送数据
  6. 仔细看下图：

图1

  1. 场景：计算机2（下面用A代替）向计算机5（下面用B代替）发送数据.网关1（192.168.3.1），网关2（192.168.4.1）
  2. A先发送ARP广播获取网关1的MAC的地址
  3. A通过ICMP协议发送数据给网关1
  4. 路由器拿到网关1的数据携带的目的IP地址，转到网关2
  5. 网关2首先发送ARP广播给B以及其他PC，获取B的MAC地址
  6. 网关2通过ICMP协议发送数据给B
  7. A向B发送一条跨网数据流程完成

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