分布式专题（二）TCP/IP协议

￡神魔★判官ぃ 2023-05-28 15:43 79阅读 0赞

# 一个 http 请求，在整个网络中的请求过程 #

当应用程序用 TCP 传送数据时，数据被送入协议栈中， 然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其 中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息

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当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议 栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收 数据的上层协议。这个过程称作分用

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### 为什么有了 MAC 层还要走 IP 层呢？ ###

mac 地址就好像个人的身份证号，人的身份证号和人户口 所在的城市，出生的日期有关，但是和人所在的位置没有 关系，人是会移动的，知道一个人的身份证号，并不能找 到它这个人，mac 地址类似，它是和设备的生产者，批 次，日期之类的关联起来，知道一个设备的 mac，并不能 在网络中将数据发送给它，除非它和发送方的在同一个网 络内。所以要实现机器之间的通信，还需要有 ip 地址的 概念，ip 地址表达的是当前机器在网络中的位置，类似于 城市名+道路号+门牌号的概念。通过 ip 层的寻址，我们 能知道按何种路径在全世界任意两台 Internet 上的的机器 间传输数据。

# IP 协议与 TCP/UDP 协议 #

## 什么是协议 ##

协议相当于两个需要通过网络通信的程序达成的一种约定， 它规定了报文的交换方式和包含的意义。比如（HTTP）为 了解决在服务器之间传递超文本对象的问题，这些超文本 对象在服务器中创建和存储，并由 Web 浏览器进行可视 化，完成用户对远程内容的感知和体验

## 什么是 IP 协议 ##

T C P 和 U D P 是两种最为著名的传输层协议，他们都是 使用 I P 作为网络层协议。IP 协议提供了一组数据报文服 务，每组分组报文都是由网络独立处理和分发，就像寄送 快递包裹一样，为了实现这个功能，每个 IP 报文必须包 含一个目的地址的字段；就像我们寄送快递都需要写明收 件人信息，但是和我们寄送快递一样，也可能会出现包裹 丢失问题，所以 IP 协议只是一个“尽力而为”的协议，在网 络传输过程中，可能会发生报文丢失、报文顺序打乱，重 复发送的情况。IP 协议层之上的传输层，提供了两种可以 选择的协议，TCP、UPD。这两种协议都是建立在 IP 层所 提供的服务基础上，根据应用程序的不同需求选择不同方 式的传输；

## TCP/IP ##

TCP 协议能够检测和恢复 IP 层提供的主机到主机的通信 中可能发生的报文丢失、重复及其他错误。TCP 提供了一 个可信赖的字节流通道，这样应用程序就不需要考虑这些 问题。同时，TCP 协议是一种面向连接的协议，在使用 TCP 进行通信之前，两个应用程序之间需要建立一个 TCP 连接， 而这个连接又涉及到两台电脑需要完成握手消息的交换。

## UDP/IP ##

UDP 协议不会对 IP 层产生的错误进行修复，而是简单的 扩展了 IP 协议“尽力而为”的数据报文服务，使他能够在应 用程序之间工作，而不是在主机之间工作，因此使用 UDP 协议必须要考虑到报文丢失，顺序混乱的问题

## TCP 是如何做到可靠传输的？ ##

### 建立可靠的链接 ###

由于 TCP 协议是一种可信的传输协议，所以在传输之 前，需要通过三次握手建立一个连接，所谓的三次握手， 就是在建立 TCP 链接时，需要客户端和服务端总共发送 3 个包来确认连接的建立

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### TCP 四次挥手协议 ###

四次挥手表示 TCP 断开连接的时候,需要客户端和服务端 总共发送 4 个包以确认连接的断开；客户端或服务器均可 主动发起挥手动作(因为 TCP 是一个全双工协议)，在 socket 编程中，任何一方执行 close() 操作即可产生挥手 操作。

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### tips:为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？ ###

三次握手是因为因为当 Server 端收到 Client 端的 SYN 连 接请求报文后，可以直接发送 SYN+ACK 报文。其中 ACK 报文是用来应答的，SYN 报文是用来同步的。但是关闭连 接时，当 Server 端收到 FIN 报文时，很可能并不会立即 关闭 SOCKET（因为可能还有消息没处理完），所以只能 先回复一个 ACK 报文，告诉 Client 端，"你发的 FIN 报文 我收到了"。只有等到我 Server 端所有的报文都发送完 了，我才能发送 FIN 报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

### 数据传输过程的流量控制和确认机制 ###

建立可靠连接以后，就开始进行数据传输了。在通信过程 中，最重要的是数据包，也就是协议传输的数据。如果数据的传送与接收过程当中出现收方来不及接收的情况，这时就需要对发方进行控制以免数据丢失。利用滑动窗口机制可以很方便的在 TCP 连接上实现对发送方的流量控制。TCP 的窗口单位是字节，不是报文段，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。

### 滑动窗口协议 ###

滑动窗口（Sliding window）是一种流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方不会考虑网络的拥挤情况直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，同时发送数据，导致中间节点阻塞掉包，谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题；发送和接受方都会维护一个数据 帧的序列，这个序列被称作窗口

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简单解释下，发送和接受方都会维护一个数据帧的序列， 这个序列被称作窗口。发送方的窗口大小由接受方确定， 目的在于控制发送速度，以免接受方的缓存不够大，而导 致溢出，同时控制流量也可以避免网络拥塞。下面图中的 4,5,6 号数据帧已经被发送出去，但是未收到关联的 ACK，7,8,9 帧则是等待发送。可以看出发送端的窗口大 小为 6，这是由接受端告知的。此时如果发送端收到 4 号 ACK，则窗口的左边缘向右收缩，窗口的右边缘则向右扩 展，此时窗口就向前“滑动了”，即数据帧 10 也可以被发 送。

# 通信的性能问题？ #

## 正常的通信过程如下(BIO) ##

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我们发现 TCP 响应服务器一次只能处理一个客户端请 求，当一个客户端向一个已经被其他客户端占用的服务器 发送连接请求时，虽然在连接建立后可以向服务端发送数 据，但是在服务端处理完之前的请求之前，却不会对新的 客户端做出响应，这种类型的服务器称为“迭代服务器”。 迭代服务器是按照顺序处理客户端请求，也就是服务端必 须要处理完前一个请求才能对下一个客户端的请求进行响 应。但是在实际应用中，我们不能接收这样的处理方式。 所以我们需要一种方法可以独立处理每一个连接，并且他 们之间不会相互干扰。而 Java 提供的多线程技术刚好满 足这个需求，这个机制使得服务器能够方便处理多个客户端的请求。

## 什么是NIO、BIO、AIO？他们的区别？ ##

### 一、同步阻塞I/O(BIO)： ###

同步阻塞I/O，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，可以通过线程池机制来改善。BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务端资源要求比较高，并发局限于应用中，在jdk1.4以前是唯一的io现在，但程序直观简单易理解

### 二、同步非阻塞I/O(NIO)： ###

同步非阻塞I/O，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有IO请求时才启动一个线程进行处理。NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，jdk1,4开始支持

### 三、异步非阻塞I/O(AIO)： ###

异步非阻塞I/O，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的IO请求都是由操作系统先完成了再通知服务器用其启动线程进行处理。AIO方式适用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，jdk1.7开始支持。

如果你想吃一份宫保鸡丁盖饭：

同步阻塞：你到饭馆点餐，然后在那等着，还要一边喊：好了没啊！

同步非阻塞：在饭馆点完餐，就去遛狗了。不过溜一会儿，就回饭馆喊一声：好了没啊！

异步阻塞：遛狗的时候，接到饭馆电话，说饭做好了，让您亲自去拿。

异步非阻塞：饭馆打电话说，我们知道您的位置，一会给你送过来，安心遛狗就可以了。

## 什么是多路复用？ ##

多路复用器 Selector，**是 NIO 的基础**，多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力，简单来说，Selector 会不断轮询注册上的 Channel，如果某个 Channel 上面有新的 TCP 连接接入、读、写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来，然后通过 SelectionKey 可以获取就绪的 Channel 进行 I/O 操作；一个多路复用器可以同时轮询多个 Channel。通过这个机制可以接入成千上万的客户端。

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