网络编程相关概念 | 思考集结处

最近在看Tomcat源码，设计到很多网络编程模型，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：

# 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：

# 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：

# 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：

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：

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：

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

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。