05 网络编程与网络框架

2019/03/27 posted in  Android进阶之光

5.1　网络分层

网络分层就是将网络节点所要完成的数据的发送或转发、打包或拆包，以及控制信息的加载或拆出等 工作，分别由不同的硬件和软件模块来完成。这样可以将通信和网络互联这一复杂的问题变得较为简单。 网络分层有不同的模型，有的模型分7层，有的模型分5层。这里介绍分5层的，因为它更好理解。网络分层 的每一层都是为了完成一种功能而设的。为了实现这些功能，就需要遵守共同的规则，这个规则叫作“协议”。

如图5-1所示，网络分层从上到下分别是应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。越靠下的层越接近硬件。接下来我们从下而上来分别了解这些分层。

  1. 物理层
    该层负责比特流在节点间的传输，即负责物理传输。该层的协议既与链路有关，也与传输介质有关。 其通俗来讲就是把计算机连接起来的物理手段。
  2. 数据链路层
    该层控制网络层与物理层之间的通信，其主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。为了保证传输，从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结 构包，它不仅包括原始数据，还包括发送方和接收方的物理地址以及纠错和控制信息。其中的地址确定了 帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。如果在传送数据时，接收点检测到所传数据中 有差错，就要通知发送方重发这一帧。
  3. 网络层
    该层决定如何将数据从发送方路由到接收方。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中的节点 A 到另一个网络中节点 B 的最佳路径。
  4. 传输层
    该层为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。相比之下，网络层的功能是建立主机到主机的通 信。传输层有两个传输协议:TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。其中，TCP是一个可靠的 面向连接的协议，UDP是不可靠的或者说无连接的协议。
  5. 应用层
    应用程序收到传输层的数据后，接下来就要进行解读。解读必须事先规定好格式，而应用层就是规定 应用程序的数据格式的。它的主要协议有HTTP、FTP、Telnet、SMTP、POP3等。

5.2　TCP的三次握手与四次挥手

通常我们进行HTTP连接网络的时候会进行TCP的三次握手，然后传输数据，之后再释放连接。

TCP三次握手的过程如下。

  • 第一次握手：建立连接。客户端发送连接请求报文段，将SYN设置为1、Sequence Number (seq)为x;接下来客户端进入SYN_SENT状态，等待服务端的确认。
  • 第二次握手：服务器收到客户端的SYN报文段，对SYN报文段进行确认，设置AcknowledgmentNumber (ACK)为x+1 (seq+1) ;同时自己还要发送SYN请求信息，将SYN设置为1、seq为y。 服务端将上述所有信息放到SYN+ACK报文段中，一并发送给客户端，此时服务端进入SYN_RCVD状态。
  • 第三次握手：客户端收到服务端的SYN+ACK报文段;然后将ACK设置为y+1，向服务端发送ACK报文段，这个报文段发送完毕后，客户端和服务端都进入ESTABLISHED (TCP连 接成功)状态，完成TCP的三次握手。

当客户端和服务端通过三次握手建立了TCP连接以后，当数据传送完毕，断开连接时就需要进行TCP的四次挥手。其四次挥手如下所示。

  • 第一次挥手：客户端设置seq和ACK, 向服务端发送一个FIN报文段。此时，客户端进入FIN_WAIT_1状态，表示客户端没有数据要发送给服务端了。
  • 第二次挥手：服务端收到了客户端发送的FIN报文段，向客户端回了一个ACK报文段。
  • 第三次挥手：服务端向客户端发送FIN报文段，请求关闭连接，同时服务端进入LAST_ACK状态。
  • 第四次挥手：客户端收到服务端发送的FIN报文段，向服务端发送ACK报文段，然后客户端进入TIME_WAIT状态。服务端收到客户端的ACK报文段以后，就关闭连接。此时，客户端等待2MSL (最大报文段生存时间)后依然没有收到回复，则说明服务端已正常关闭，这样客户端也可以关闭连接了。

如果有大量的连接，每次在连接、关闭时都要经历三次握手、四次挥手，这很显然会造成性能低下。 因此，HTTP有一种叫作keepalive connections的机制，它可以在传输数据后仍然保持连接，当客户端需要再次获取数据时，直接使用刚刚空闲下来的连接而无须再次握手。

5.3　HTTP协议原理

5.3.1　HTTP简介

HTTP 是一个属于应用层的面向对象的协议，由于其简捷、快速的方式，适用于分布式超媒体信息系统。

1.HTTP的历史版本

  • HTTP 0.9：1991年发布的第一个版本，只有一个命令GET，服务器只能回应HTML格式的字符串。
  • HTTP 1.0：1996年发布的版本，内容量大大增加。除了GET命令外，还引入了POST命令和HEAD命 令。HTTP请求和回应的格式除了数据部分，每次通信都必须包括头信息，用来描述一些元数据。
  • HTTP 1.1：1997发布的版本，进一步完善了HTTP协议，直到现在还是最流行的版本。
  • SPDY协议：2009年谷歌为了解决 HTTP 1.1效率不高的问题而自行研发的协议。
  • HTTP 2：2015年新发布的版本，SPDY 协议的主要特性也在此版本中。

2.HTTP协议的主要特点

  • 支持C/S(客户/服务器)模式。
  • 简单快速：客户向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径。请求方法常用的有GET、HEAD、 POST，每种方法规定了客户与服务器联系的类型不同。由于 HTTP 协议简单，使得HTTP服务器的程序规模小，因而通信速度很快。
  • 灵活：HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。
  • 无连接：无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。
  • 无状态：HTTP协议是无状态协议，无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如 果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大;而另一方面，在服务器不需要先前信息时它的应答速度就较快。

HTTP URL的格式如下所示：http://host[":"port][abs_path]

  • http表示要通过HTTP协议来定位网络资源;
  • host表示合法的Internet主机域名或者IP地址;
  • port指定一个 端口号，为空则使用默认端口80;
  • abs_path指定请求资源的URI(Web上任意的可用资源)。

HTTP有两种报 文，分别是请求报文和响应报文，下面先来查看请求报文。

5.3.2　HTTP请求报文

HTTP 报文是面向文本的，报文中的每一个字段都是一些ASCII码串，各个字段的长度是不确定的。一 般一个HTTP请求报文由请求行、请求报头、空行和请求数据4个部分组成。

  1. 请求行
    请求行由请求方法、URL字段和HTTP协议的版本组成，格式如下:
    Method Request-URI HTTP-Version CRLF
    其中 Method表示请求方法；Request-URI是一个统一资源标识符；HTTP-Version表示请求的HTTP协议版本；CRLF表示回车和换行(除了作为结尾的CRLF外，不允许出现单独的CR或LF字符)。
    HTTP请求方法有8种，分别是GET、POST、HEAD、PUT、DELETE、TRACE、CONNECT、 OPTIONS。对于移动开发最常用的就是GET和POST了。

    • GET:请求获取Request-URI所标识的资源。
    • POST:在Request-URI所标识的资源后附加新的数据。
    • HEAD:请求获取由Request-URI所标识的资源的响应消息报头。
    • PUT:请求服务器存储一个资源，并用Request-URI作为其标识。
    • DELETE:请求服务器删除Request-URI所标识的资源。
    • TRACE:请求服务器回送收到的请求信息，主要用于测试或诊断。
    • CONNECT:HTTP 1.1协议中预留给能够将连接改为管道方式的代理服务器。
    • OPTIONS:请求查询服务器的性能，或者查询与资源相关的选项和需求。
      例如，访问我的CSDN博客地址的请求行:
      GET http://blog.csdn.net/itachi85 HTTP/1.1

  2. 请求报头
    在请求行之后会有0个或者多个请求报头，每个请求报头都包含一个名字和一个值，它们之间用英文冒 号“:”分割。关于请求报头，我们会在后面做统一解释。

  3. 请求数据
    请求数据不在GET方法中使用，而在POST方法中使用。POST方法适用于需要客户填写表单的场合，与请求数据相关的最常用的请求报头是Content-Type和Content-Length。

5.3.3　HTTP响应报文

响应报文的一般格式：

HTTP 的响应报文由状态行、响应报头、空行、响应正文组成。响应正文是服务器返回的资源的内容。我们先来看看状态行。
状态行格式如下所示:
HTTP-Version Status-Code Reason-Phrase CRLF
HTTP-Version表示服务器HTTP协议的版本;Status-Code表示服务器发回的响应状态码;Reason- Phrase表示状态码的文本描述。状态码由3位数字组成，第一个数字定义了响应的类别，且有以下5种可能取值。

  • 100~199:指示信息，收到请求，需要请求者继续执行操作。 * 200~299:请求成功，请求已被成功接收并处理。
  • 300~399:重定向，要完成请求必须进行更进一步的操作。
  • 400~499:客户端错误，请求有语法错误或请求无法实现。
  • 500~599:服务器错误，服务器不能实现合法的请求。

常见的状态码如下。

  • 200 OK:客户端请求成功。
  • 400 Bad Request:客户端请求有语法错误，服务器无法理解。
  • 401 Unauthorized:请求未经授权，这个状态码必须和WWW-Authenticate报头域一起使用。
  • 403 Forbidden:服务器收到请求，但是拒绝提供服务。
  • 500 Internal Server Error:服务器内部错误，无法完成请求。
  • 503 Server Unavailable:服务器当前不能处理客户端的请求，一段时间后可能恢复正常。

5.3.4　HTTP的消息报头

消息报头分为通用报头、请求报头、响应报头、实体报头等。消息报头由键值对组成，每行一对，关键字和值用英文冒号“:”分隔。

  1. 通用报头
    它既可以出现在请求报头，也可以出现在响应报头中，如下所示。
    • Date:表示消息产生的日期和时间。
    • Connection:允许发送指定连接的选项。例如指定连接是连续的;或者指定“close”选项，通知服务器，在响应完成后，关闭连接。
    • Cache-Control:用于指定缓存指令，缓存指令是单向的(响应中出现的缓存指令在请求中未必会出现)，且是独立的(一个消息的缓存指令不会影响另一个消息处理的缓存机制)。
  2. 请求报头
    请求报头通知服务器关于客户端请求的信息。典型的请求报头如下所示。
    • Host:请求的主机名，允许多个域名同处一个IP地址，即虚拟主机。
    • User-Agent:发送请求的浏览器类型、操作系统等信息。
    • Accept:客户端可识别的内容类型列表，用于指定客户端接收哪些类型的信息。 * Accept-Encoding:客户端可识别的数据编码。
    • Accept-Language:表示浏览器所支持的语言类型。
    • Connection:允许客户端和服务器指定与请求/响应连接有关的选项。例如，这时为Keep-Alive则表示
      保持连接。
    • Transfer-Encoding:告知接收端为了保证报文的可靠传输，对报文采用了什么编码方式。
  3. 响应报头
    用于服务器传递自身信息的响应。常见的响应报头如下所示。
    • Location:用于重定向接收者到一个新的位置，常用在更换域名的时候。
    • Server:包含服务器用来处理请求的系统信息，与User-Agent请求报头是相对应的。
  4. 实体报头
    实体报头用来定义被传送资源的信息，其既可用于请求也可用于响应。请求和响应消息都可以传送一 个实体。常见的实体报头如下所示。
    • Content-Type:发送给接收者的实体正文的媒体类型。
    • Content-Lenght:实体正文的长度。
    • Content-Language:描述资源所用的自然语言。
    • Content-Encoding:实体报头被用作媒体类型的修饰符。它的值指示了已经被应用到实体正文的附加 内容的编码，因而要获得Content-Type报头域中所引用的媒体类型，必须采用相应的解码机制。
    • Last-Modified:实体报头用于指示资源的最后修改日期和时间。 * Expires:实体报头给出响应过期的日期和时间。

5.3.5　抓包应用举例

5.4　HttpClient与HttpURLConnection

5.4.1　HttpClient

5.4.2　HttpURLConnection

5.5　解析Volley

适合进行数据量不大但通信频繁的网络操作。

5.5.1　Volley基本用法

1.Volley网络请求队列
2.StringRequest的用法
3.JsonRequest的用法
4.使用lmageRequest加载图片
5.使用lmageLoader加载图片
6.使用NetworklmageView加载图片
7.NetworklmageView

5.5.2　源码解析Volley

1.从RequestQueue入手
2.CacheDispatcher缓存调度线程
3.NetworkDispatcher网络调度线程

5.6　解析OkHttp

5.6.1　OkHttp基本用法

基本步骤就是创建OkHttpClient、Request和Call，最后调用Call的异步方法enqueue()或同步方法execute()。

5.6.2　源码解析OkHttp

1. OkHttp的请求网络流程

  1. 从请求处理开始分析
  2. Dispatcher任务调度
  3. Interceptor拦截器
  4. 缓存策略
  5. 失败重连

2. OkHttp的复用连接池

  1. 主要变量与构造方法
  2. 缓存操作
  3. 自动回收连接
  4. 引用计数
  5. (5)小结
    可以看出连接池复用的核心就是用Deque来存储连接，通过 put、get、connectionBecameIdle和evictAll几个操作来对Deque进行操作，另外通过判断连接中的计数对象 StreamAllocation来进行自动回收连接。

5.7　解析Retrofit

Retrofit底层是基于OkHttp实现的，使用运行时注解的方式提供功能。

5.7.1　Retrofit基本用法

1.使用前的准备工作
2.Retrofit的注解分类
3.GET请求访问网络
4.POST请求访问网络
5.消息报头Header

5.7.2　源码解析Retrofit

1.Retrofit的创建过程
2.Call的创建过程
3.Call的enqueue方法

5.8　本章小结

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