Java 网络原理（一）--- 自定义协议，UDP协议和TCP协议

文章目录

• 网络原理

• 应用层

• 自定义协议
• 几种开发中常见的组织格式

• 传输层（重点）
• UDP
• TCP（非常重要）

• 可靠传输

• 确认应答
• 超时重传
• 连接管理
• 滑动窗口
• 流量控制
• 拥塞控制
• 延时应答

网络原理

应用层

1. 在应用层这里都是程序员自定义协议的，（但是也有一些现成的应用层协议）
2. 协议，其实是约定，程序员约定好在代码中，数据如何进行传输

自定义协议

1. 根据需求，明确要传输的信息
2. 约定好信息按照什么形式来组织

自定义协议：请求和响应包含哪些信息，按照什么方式来组织

3. 文本方式构造的协议

几种开发中常见的组织格式

1. xml
   上古时期的数组数据的格式
   现在很少用于网络通信了，但是在后面Java总还会有一些地方遇到

通过标签来组织数据

xml 的优势：让数据的可读性变得更好了

xml 的劣势：
标签写起来非常繁琐，传输的时候也占用更多的带宽（因为既要传输位置信息和用户id，又要传输标签，传输标签占用了带宽）

（maven，就会使用 xml 来管理项目配置了）

2. json（当下最流行的一种数据组织的格式）[这个格式在后面会反复用到]

json的优势：可读性比较好，比 xml 更简洁

json的劣势：
同样也是会在网络传输中，消耗额外的带宽（需要把 key 也进行传输的）

即使如此，json还是在网络通信过程中非常流行，除非是一些对性能要求非常高的场景，不使用json外，其他很多地方都可以使用json

3. protobuffer：相比于 json 和 xml 来说，protobuffer（简称pb）使用二进制的方式来组织数据，可以保证带宽占用最低（相当于把要传递的信息按照二进制的形式压缩了）

pb的优势：占用带宽最低，传输效率最高，非常适合于对于性能要求比较高的场景

pb的劣势：可读性不好（二进制数据，无法直接进行阅读），一定程度上影响了开发效率

应用层也有现成的应用层协议
其中最广泛使用的是 HTTP协议（超文本传输协议）
超文本（超出文本之外）：不仅仅是文本这一个，还可以是图片，视频，音频，字体…

传输层（重点）

面试的考点，工作中常用到的内容

1. UDP：无连接，不可靠，面向数据报，全双工
2. TCP：有连接，可靠，面向字节流，全双工

也不是说，你有一个 http 的服务器，必须绑定 80 端口（这只是一个建议，完全可以不采纳）

UDP

2. 报文格式：



4. UDP 的报文长度为2个字节，0 - 65535



5. 
   



7. UDP的报文长度可以存储的数据大小（64KB - 8byte）：



9. 效验和的例子：



11. UDP的校验和，效验和是什么？
    效验和是一种检查的手段
    效验和可以对内容和字数进行检查



13. 效验和的过程：



14. 效验和是如何计算的？
    计算校验和的算法有很多：
    1.CRC算法计算UDP的效验和

2.md5算法/ sha1算法（md5算法和sha1算法是差不多的，这里就介绍md5算法）

md5算法在工作中常用到md5算法的特点：

8.UDP的特点（在代码中的体现）
以一个数据报为单位进行传输的

4. 全双工（双向通信）

5. 有一些应用层协议是基于UDP进行实现的

TCP（非常重要）

2. TCP最大的特点就是可靠传输（TCP的初心）



4. TCP的报文格式：



5. 
   



7. TCP的特性，在代码中的体现：

可靠传输

确认应答

1. 确认应答
   发送方，把数据发送给接收方之后，接收方收到数据就会给发送方返回一个 应答报文（acknowledge，ack）。
   发送方如果收到这个应答报文了，就知道自己的数据是否发送成功了

例子：

发送短信消息

短信的后发先至

2. 下面两个条件可以确定发送信息的顺序和准确性

3. 发送信息的编号是按照字节来编号的

4. 字节流编号

5. 确认应答的过程：

通过特殊的 ack 数据包，里面携带的 确认信号 告诉给发送方，哪些数据已经被确认收到了，此时发送方，就心中有数了，就知道刚发的数据是到了还是没有到，从而达到可靠传输

达成可靠传输的最核心的机制，就是确认应答
通过确认应答为核心的机制，再借助其他机制
辅助，从而达到了可靠传输

6. 如何区分一个数据包是普通的数据，还是 ack 应答数据呢？

超时重传

1. 确认应答是比较理想的情况，但是在网络传输数据过程中出现了数据丢包，发送方就无法收到应答报文了，超时重传机制，针对确认应答进行补充
3. 为什么网络传输过程中会出现丢包？



4. 这里的阻塞，逻辑上和阻塞队列是差不多的，但是实现可能不是我们想的那样



5. 丢包是网络传输过程中出现的随机事件，因此在TCP传输过程中，会出现两种类型的丢包

1.传输的数据丢了

2.返回的ack丢了

在发送方的角度，是无法区分因为哪种情况产生的丢包，所以无论出现上述哪种情况，发送方都会进行 重新传输，第一次丢了，重新传传试试，很大概率就能传过去

很大概率：假设，丢包的概率是 10%（比较大的数字了）在游戏中，你就玩不了了，
那么两次都丢包的概率是 1% ，所以重传可以大幅提高能够被传过去的概率

重传是一个很好的补救措施，但是引入了 '‘可靠性’’ 之后，也会有代价，有两方面：
1.传输效率下降了
2.复杂程度上升了

重传是得TDP的延迟比较高，而UDP比较小，代价小，延迟比较低

4. 超时重传的等待时间：
   超过了等待时间，再重传
   发送方什么时候进行重传？
   发送方，发出数据之后，会等待一段时间，如果这个时间之内，ack来了，此时就自然视为数据到达
   如果达到这个时间之后，数据还没到，就会触发重传机制

1.初始的等待时间是可以配置的。不同的系统都不一定一样，也可以通过修改一些内核参数来引起这里的时间变化

2.等待的时间，也会动态变化。每多经历一次超时，等待的时间都会变长。

为什么等待的时间会变长？

数据丢了的情况：

5. 超时重传时，如果是在B的视角，就会收到两条一样的数据，这是如何解决的呢？

解决方案：TCP会进行去重和重新排序（按照之前发送的顺序来排序）

连接管理

1. 连接管理 = 建立连接 + 断开连接
   （面试中最经典的问题：三次握手（建立连接） + 四次挥手（断开连接））
3. 什么是三次握手和四次挥手？
   其实就是发个没有实际内容的数据包的过程
   握手就是传输几个没有什么实际意义的数据包，来触发后续的逻辑



4. 握手的例子：



5. TCP的三次握手，TCP在建立连接的过程中，需要通信双方一共 ‘‘打三次招呼’’ 才能够完成连接建立

A想和B建立连接，A就会主动发起握手的操作，实际开发中，主动发起的一方，就是客户端 ，被动接收的一方，就是 服务器
传输的数据类型可以有：
段 segment
包 packet
报 datagram
帧 frame

同步报文段：

三次握手建立连接的过程：

能够合并两次握手的原因：因为 ack 和 syn 都是同一时机在系统内核中进行传输的

三次握手是网络中最经典的面试题

4. 三次握手要解决什么问题？通过四次握手，是否可行？通过两次握手，是否可行呢？
   四次握手是可以的，但是没有必要，两个数据合并成一个数据，效率更高，两次握手是不可以的，要让两边都知道对方的信息，第三次握手就是让对方也知道己方的信息的

TCP初心，是为了实现可靠传输，进行确认应答和超时重传的大前提，当前网络环境要是基本可用的，通畅的

如果当前网络已经存在重大故障了，此时，可靠传输无从谈起

三次握手的核心作用：
1.确认当前网络是否是畅通的

2.要让发送方和接收方都能确认自己的发送能力和接受能力均正常

三次握手的例子（非常形象）：

3.让通信双方，在握手的过程中，针对一些重要的参数，进行协商协商参数的例子：

握手这里要协商的信息是有好几个的，但是我们不讨论，但是大家至少要知道，tcp 通信过程中的序号是从几开始的，这就是双方协商出来的（一般不是从 1 开始的）

每次连接建立的时候，都会协商出一个比较大的，和上次不一样的值为什么会协商出一个比较大的，和上次不一样的值呢？

是为了区分上次的数据不要影响这次的数据

三次握手的状态

1. sun_sen和syn_rcvd都是很快出现，很快消失的状态，不用怎么关注
3. 连接建立



4. 连接断开（四次挥手）

建立连接，一般都是客户端主动发起的。
断开连接，客户端和服务器都可以主动发起。

FIN：结束报文段

连接断开的过程（四次挥手）：

和三次握手不同，此处的四次握手，能否把中间的两次交互合二为一？

不一定不能的原因：

总的来说就是FIN需要再socket对象close之后，才能被发起，而ACK是系统内核的，能够立即被发起，如果close前面还有代码逻辑，那么他们就不是同一时机了

主要是看时机是否相同，才能够合并

像前面的三次握手，ACK和第二个syn都是内核触发的。同一时机，可以合并。这里的四次挥手，ACK是系统内核触发的，第二个FIN是应用程序执行的 close 触发的。时机不相同，不能合并

能够合并的原因：

TCP中还有一个机制，延时应答，能够拖延ACK的回应时间。一旦 ACK 滞后了，就有机会和下一个 FIN 合并在一起了。四次挥手的状态：

TIME_WAIT状态的意义：

TIME_WAIT 要等待多久呢？

假设网络上两个节点通信消耗的最大时间为 MSL（可配置的参数，数值每台电脑都不太一样，可能是1min，90s这样）。

此时 TIME_WAIT 的时间就是 2 MSL(2 MSL已经是上限了，绝大部分的数据包不会达到这个时间的，都会比这个时间短很多)

面试的时候要把图给画出来，不要只是口述

滑动窗口

1. 前面三个机制，都是在保证 tcp 的可靠性，
3. 滑动窗口这个机制主要是为了提高效率 -> 亡羊补牢



5. 滑动窗口是为了缩短确认应答的等待时间：



6. 窗口大小（批量发送的数据量的大小）：



7. 滑动窗口运行的过程：



8. TCP的初心是 可靠传输，上面的滑动窗口中，确认应答是可以正常工作的。但是如果出现了丢包应该怎么办？

这里的重传和前面的超时重传，又有变化

分为以下几种情况：

情况一：ack 丢了

如果 ack 全都丢了呢？

平时丢包率达到 10%，就已经非常高了，现在这个全丢了，丢包率 100% 了，此时相当于网线断了，无从谈起 ‘‘可靠传输’’ 了

这种请况是不太可能出现的情况二：数据包丢了

普通的超时重传和快速重传：

如果通信双方，传输的数据的量比较小，也不频繁，就仍然是普通的确认应答和普通的超时重传

如果通信双方，传输的数据量更大，也比较频繁，就会进入到滑动窗口模式，按照快速重传的方式处理

流量控制

1. 流量控制：站在接收方的角度，反向制约发送方的传输速率。发送方发送的速率，不应该超过接收方的处理能力。
2. 如何确认这个发送速率的大小？
   接收方每次收到数据之后，都会把接收缓冲区剩余空间大小通过 ack 返回给发送方。发送方就会按照这个数值来调整下一轮的发送速度。

判断接收速率大小（read）的例子：

比如下面这个蓄水池

3. 发送的过程：
   确认接收方的速率，调整发送方的速率
4. 接收缓冲区的剩余空间大小：

拥塞控制

2. 流量控制，是考虑接收方的处理能力。影响速率的，不仅仅是接收方，还有你整个通信的路径。



3. 拥塞控制就是考虑通信过程中，中间节点的情况
4. 有一个关键的问题：接收方的处理能力，可以量化，而中间节点的结构更复杂，更难直接地进行量化，因此要通过 实验 的方式，来找到合适的值

实验是怎么实验呢？

总得来说，就是如果没有出现丢包，就增大窗口大小，出现了丢包的情况，就缩小这个窗口大小，通过调整，来找到合适的值

4. 找到窗口的合适大小（拥塞控制）的过程：

如果问到了上述拥塞控制的情况，要一边画图一边解释举个例子：

上述是经典版本的拥塞控制的过程：但是还有改进的版本，不要让速率下降这么快，而且前面的有些增长的过程（慢增长的过程）是不会丢包的

5. 流量控制和拥塞控制，都是在限制发送窗口的大小，最终发送窗口的大小，是取 流量控制和拥塞控制 中窗口的较小值

延时应答

1. 延时应答：
   正常情况：A 把数据传给B，B就会立即返回 ack 给 A
   延时应答：也有时候，A 传输给 B，B等一会再返回 ack 给A
3. 能够延时应答的过程：



4. 
   



5. 延时应答才使得刚才的四次挥手，三次能够挥完（接收方延时回答的时间内，处理FIN的过程（代码上处理到close()的过程），然后和 ack 在此时机上一起合并发送给了发送方）