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Linux网络编程-网络基础-socket编程-高并发服务器
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更新于2023-03-16
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Linux网络编程-网络基础-socket编程-高并发服务器,非常详细的资料,值得你学习。
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网络基础
协议的概念
什么是协议
从应用的角度出发,协议可理解为“规则”,是数据传输和数据的解释的规则。
假设,A、B 双方欲传输文件。规定:
第一次,传输文件名,接收方接收到文件名,应答 OK 给传输方;
第二次,发送文件的尺寸,接收方接收到该数据再次应答一个 OK;
第三次,传输文件内容。同样,接收方接收数据完成后应答 OK 表示文件内容接收成功。
由此,无论 A、B 之间传递何种文件,都是通过三次数据传输来完成。A、B 之间形成了一个最简单的数据传输
规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B 之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。
这种仅在 A、B 之间被遵守的协议称之为原始协议。当此协议被更多的人采用,不断的增加、改进、维护、完
善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议,被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。
最早的 ftp 协议就是由此衍生而来。
TCP 协议注重数据的传输。http 协议着重于数据的解释。
典型协议
传输层 常见协议有 TCP/UDP 协议。
应用层 常见的协议有 HTTP 协议,FTP 协议。
网络层 常见协议有 IP 协议、ICMP 协议、IGMP 协议。
网络接口层 常见协议有 ARP 协议、RARP 协议。
TCP 传输控制协议(Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
UDP 用户数据报协议(User Datagram Protocol)是 OSI 参考模型中一种无连接的传输层协议,提供面向事务的
简单不可靠信息传送服务。
HTTP 超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol)是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。
FTP 文件传输协议(File Transfer Protocol)
IP 协议是因特网互联协议(Internet Protocol)
ICMP 协议是 Internet 控制报文协议(Internet Control Message Protocol)它是 TCP/IP 协议族的一个子协议,用于
在 IP 主机、路由器之间传递控制消息。
IGMP 协议是 Internet 组管理协议(Internet Group Management Protocol),是因特网协议家族中的一个组播协
议。该协议运行在主机和组播路由器之间。
ARP 协议是正向地址解析协议(Address Resolution Protocol), 通过已知的 IP,寻找对应主机的 MAC 地址。
RARP 是反向地址转换协议,通过 MAC 地址确定 IP 地址。
网络应用程序设计模式
C/S 模式
传统的网络应用设计模式,客户机(client)/服务器(server)模式。需要在通讯两端各自部署客户机和服务器来完成
数据通信。
B/S 模式
浏览器()/服务器(server)模式。只需在一端部署服务器,而另外一端使用每台 PC 都默认配置的浏览器即可完成
数据的传输。
优缺点
对于 C/S 模式来说,其优点明显。客户端位于目标主机上可以保证性能,将数据缓存至客户端本地,从而提高
数据传输效率。且,一般来说客户端和服务器程序由一个开发团队创作,所以他们之间所采用的协议相对灵活。可
以在标准协议的基础上根据需求裁剪及定制。例如,腾讯公司所采用的通信协议,即为 ftp 协议的修改剪裁版。
因此,传统的网络应用程序及较大型的网络应用程序都首选 C/S 模式进行开发。如,知名的网络游戏魔兽世界。
3D 画面,数据量庞大,使用 C/S 模式可以提前在本地进行大量数据的缓存处理,从而提高观感。
C/S 模式的缺点也较突出。由于客户端和服务器都需要有一个开发团队来完成开发。工作量将成倍提升,开发
周期较长。另外,从用户角度出发,需要将客户端安插至用户主机上,对用户主机的安全性构成威胁。这也是很多
用户不愿使用 C/S 模式应用程序的重要原因。
B/S 模式相比 C/S 模式而言,由于它没有独立的客户端,使用标准浏览器作为客户端,其工作开发量较小。只
需开发服务器端即可。另外由于其采用浏览器显示数据,因此移植性非常好,不受平台限制。如早期的偷菜游戏,
在各个平台上都可以完美运行。
B/S 模式的缺点也较明显。由于使用第三方浏览器,因此网络应用支持受限。另外,没有客户端放到对方主机
上,缓存数据不尽如人意,从而传输数据量受到限制。应用的观感大打折扣。第三,必须与浏览器一样,采用标准
http 协议进行通信,协议选择不灵活。
因此在开发过程中,模式的选择由上述各自的特点决定。根据实际需求选择应用程序设计模式。
分层模型
OSI 七层模型
OSI 模型
1. 物理层:主要定义物理设备标准,如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主
要作用是传输比特流(就是由 1、0 转化为电流强弱来进行传输,到达目的地后再转化为 1、0,也就是我们常说
的数模转换与模数转换)。这一层的数据叫做比特。
2. 数据链路层:定义了如何让格式化数据以帧为单位进行传输,以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常
还提供错误检测和纠正,以确保数据的可靠传输。如:串口通信中使用到的 115200、8、N、1
3. 网络层:在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet 的发展使得从世界各
站点访问信息的用户数大大增加,而网络层正是管理这种连接的层。
4. 传输层:定义了一些传输数据的协议和端口号(WWW 端口 80 等),如:TCP(传输控制协议,传输效率低,可
靠性强,用于传输可靠性要求高,数据量大的数据),UDP(用户数据报协议,与 TCP 特性恰恰相反,用于传输
可靠性要求不高,数据量小的数据,如 QQ 聊天数据就是通过这种方式传输的)。 主要是将从下层接收的数据
进行分段和传输,到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。
5. 会话层:通过传输层(端口号:传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接
受会话请求(设备之间需要互相认识可以是 IP 也可以是 MAC 或者是主机名)。
6. 表示层:可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。例如,PC 程序与另一台计算
机进行通信,其中一台计算机使用扩展二一十进制交换码(EBCDIC),而另一台则使用美国信息交换标准码(ASCII)
来表示相同的字符。如有必要,表示层会通过使用一种通格式来实现多种数据格式之间的转换。
7. 应用层:是最靠近用户的 OSI 层。这一层为用户的应用程序(例如电子邮件、文件传输和终端仿真)提供网络
服务。
TCP/IP 四层模型
TCP/IP 网络协议栈分为应用层(Application)、传输层(Transport)、网络层(Network)和链路层(Link)四层。
如下图所示:
TCP/IP 模型
一般在应用开发过程中,讨论最多的是 TCP/IP 模型。
通信过程
两台计算机通过 TCP/IP 协议通讯的过程如下所示:
TCP/IP 通信过程
上图对应两台计算机在同一网段中的情况,如果两台计算机在不同的网段中,那么数据从一台计算机到另一台
计算机传输过程中要经过一个或多个路由器,如下图所示:
跨路由通信
链路层有以太网、令牌环网等标准,链路层负责网卡设备的驱动、帧同步(即从网线上检测到什么信号算作新
帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。交换机是工作在链路层的网络设备,
可以在不同的链路层网络之间转发数据帧(比如十兆以太网和百兆以太网之间、以太网和令牌环网之间),由于不同
链路层的帧格式不同,交换机要将进来的数据包拆掉链路层首部重新封装之后再转发。
网络层的 IP 协议是构成 Internet 的基础。Internet 上的主机通过 IP 地址来标识,Inter-net 上有大量路由器负责
根据 IP 地址选择合适的路径转发数据包,数据包从 Internet 上的源主机到目的主机往往要经过十多个路由器。路由
器是工作在第三层的网络设备,同时兼有交换机的功能,可以在不同的链路层接口之间转发数据包,因此路由器需
要将进来的数据包拆掉网络层和链路层两层首部并重新封装。IP 协议不保证传输的可靠性,数据包在传输过程中可
能丢失,可靠性可以在上层协议或应用程序中提供支持。
网络层负责点到点(ptop,point-to-point)的传输(这里的“点”指主机或路由器),而传输层负责端到端(etoe,
end-to-end)的传输(这里的“端”指源主机和目的主机)。传输层可选择 TCP 或 UDP 协议。
TCP 是一种面向连接的、可靠的协议,有点像打电话,双方拿起电话互通身份之后就建立了连接,然后说话就
行了,这边说的话那边保证听得到,并且是按说话的顺序听到的,说完话挂机断开连接。也就是说 TCP 传输的双方
需要首先建立连接,之后由 TCP 协议保证数据收发的可靠性,丢失的数据包自动重发,上层应用程序收到的总是可
靠的数据流,通讯之后关闭连接。
UDP 是无连接的传输协议,不保证可靠性,有点像寄信,信写好放到邮筒里,既不能保证信件在邮递过程中不
会丢失,也不能保证信件寄送顺序。使用 UDP 协议的应用程序需要自己完成丢包重发、消息排序等工作。
目的主机收到数据包后,如何经过各层协议栈最后到达应用程序呢?其过程如下图所示:
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