Java 网络原理（二）--- TCP的机制 + IP协议 +以太网协议 + DNS

TCP的机制

捎带应答

1. 在延时应答的基础上才有机会合并，进一步地提高效率
2. 捎带应答：指的是在返回 response 的同时，顺便把 ack 给带上返回给发送方

面向字节流

1. 这里有一个重要的问题，粘（nian）包问题（不是 TCP 独有的，而是所有面向字节流的机制都有类似的情况）
2. 此处的 包 指的是 应用层数据包，如果同时有多个应用层数据包被传输过去，此时就容易出现粘包问题。
3. 什么是粘包问题？
   就是从 A 到 B（B中有接收缓冲区），把数据发送到接收缓冲区中，这些数据就会紧挨在一起，要读的时候是按字节来读，那么就可以按1个字节读，2个字节读，3个字节读这样的问题

4. 相比之下，UDP这样面向数据报的通信方式，就没有上述的问题

5. 如何解决粘包问题？
核心思路：通过定义好应用层协议，明确应用层数据包之间的边界

确认边界：
1.引入分隔符

2.引入长度

xml:边界是结束标签
json:边界是{}
protobuffer:边界是长度

异常情况的处理

如果在使用 tcp 的过程中，出现意外，怎么进行处理？

(1) 进程崩溃：

(2) 主机关机（正常流程关机）：
1指的是进程崩溃

(3) 主机掉电（非正常）：

(4) 网线断开：

TCP可以单方面释放连接：

1. ）心跳机制（非常重要）：工作中经常要在代码中自己写，我们写的心跳机制要达到很短的时间来检测，某个机器是否挂了
   

TCP和UDP的对比

1. TCP 优势 可靠传输（TCP 适用于大部分场景）
2. UDP 优势 更高效率 （UDP 更适合于，对于 可靠性不敏感，性能敏感 的场景）

可靠性不敏感，性能敏感的场景：

3. 如果要传输比较大的数据包，TCP 更优先（UDP 只有64KB的限制）
4. 如果要进行 广播传输，优先考虑 UDP。UDP 天然支持广播，TCP不支持（要在应用程序中额外写代码实现）

UDP的广播传输：

TCP的广播传输：如果是投屏功能的实现的话，需要 TCP 遍历每个设备的ip地址和主机号，都尝试去连接，对比 UDP 会比较慢和效率低，并且更加复杂

5. 经典面试题：如何基于UDP 实现可靠传输？

这个问题本质上是考察 TCP ！！！

网络层

1. 应用层和传输层都是日常开发中密切相关的，网络层涉及的是ip地址，和路由器之类的开发相关
2. 网络层要做的事，主要有两个方面：
   (1) 地址管理：制定一系列的规则，通过地址，描述出网络上一个设备的位置
   (2) 路由选择：网络环境比较复杂，从一个节点到另一个节点之间，存在很多条不同的路径，就需要通过这种方式，筛选/规划出更合适的路径进行数据传输

IP 协议是网络层中的协议

IP协议

报头

1. 4位版本和4位首部长度（和TCP一样）：
   
2. 8位服务类型（TOS）：能够让 IP 协议，切换形态
   （3 位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和 1 位保留字段（必须置为0））

这四个位，彼此之间是冲突的。只有一位设为1。不同的位设为1，表示 IP 协议是不同的形态。

四种形态：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本

最小延时：一方给另一方传输数据时，消耗的总体时间最短
最大吞吐量：单位时间内传输的数量最多
最高可靠性：最不容易出现丢包的情况
最小成本：系统开销是最小的

这些形态对于开发影响是比较小的，没有立竿见影的效果

3. 16位总长度（字节数）：描述了 IP 数据包最长是多长
   IP协议，确实存在 64KB 这样的限制，但是 IP 协议自身支持 拆包组包 的功能可以扩大这里的容量

通过三个属性，来支持 IP 协议的拆包和组包：16位标识，3位标志，13位片偏移

16位标识（把包拆成多个小的，16位标识可以用来区分这些小包是不是同一组的）
13位片偏移（给每个小包进行排序）
3位标志（有一个保留位是没用的）

4. 8位生存时间（TTL），单位是次数

如果把 TTL 设置成 32，会不会不够用？
会不会明明数据包是合法的目的ip，还没有到达 ttl 就耗尽了
这个情况也是有可能会存在的，概率不大。因为有其他的大的TTL可以使用，比如64,128…
一般来说，TTL都是比较充裕的

怎么理解这个比较充裕呢？
就是在网络中每个路由器，要找一个别的路由器，每个路由器都发动这些相邻的路由器去寻找（就是我的朋友去找我朋友的朋友），有个理论就是六度空间是有关于这个寻找到目的ip的例子：

5. 8位协议：描述的是，IP数据包的载荷部分，是一个 UDP 数据包还是 TCP 的数据包（判断传输层是哪个协议）

6. 16位首部检验和：只效验首部，因为它的载荷是其他协议的报头，它们可以自己校验
   
7. 32位源IP地址和32位目的IP地址：
   

地址管理

1. IP地址，是一个32位的整数 2^32 = 42亿9千万，这么多的地址也是不够用的，地址是不能够重复的，但是如何解决 IP 地址不够用的问题呢?
   
2. NAT 机制把IP地址分为两个大类：
   (1) 内网IP（局域网IP）
   
   
   (2) 外网IP（广域网IP）
   
   
3. NAT机制是怎么工作的？
   替换IP：我的电脑有一个内网IP，经过运营商的路由器，将我的ip替换为了外网IP，然后再经过广域网，最终到达 ip138 的服务器，最终我会发出数据

反向替换IP（源ip和目的ip会交换）：外网上的IP到达运营商路由器，（之前保存了映射关系），把原来自己的内网IP给替换回来了，最终我会收到数据

如果当前局域网内，有多台主机，都访问同一个网站的服务器，此时服务器返回的响应经过当前的路由器之后，要交还给哪个主机呢？
通过端口号来区分是不同的主机

那如果端口号也相同呢？该怎么办？
这样的话，路由器就会对相同的端口号进行处理，把它们替换成不同的端口号来进行区分

解决 IP地址 不够用的问题：

4. 解决IP地址不够用的终极方案（最优解）：IPv6
因为NAT机制和动态分配的方式都是提高ip地址利用率的

IPv6 是2^128个ip，是一个非常大的数，根本用不完，大幅度提高了ip地址的个数，从根本上解决了问题，但是事实上IPv6普及程度比较低，因为从IPv4升级到IPv6是没有网速提升的，因此没有什么人来升级。但是中国是超过70%的都升级了IPv6了，这和国际贸易战有关。

一般来说，需要手动开启IPv6

网段划分

1. 把一个 IP地址，会分成两个部分
   网络号（标识了一个局域网） + 主机号（标识了局域网中的一个设备）
   
   以上的内容了解即可，最多也是以 笔试题/选择题 的形式出现

2. 192.168.1.10，一个 IP地址，哪个部分是网络号，哪个部分是主机号，是不一定的。子网掩码，就是用来确定网络号的，对应是1的那么IPv4地址中的就是网络号
   
   上古时期的网络划分：
   

3. 几种特殊的IP

1.主机号全0和主机号全1

2.环回IP（自己发给自己），可以再测试中使用，可以保证网络一定是通畅的

路由选择

1. 路由选择就是描述了 IP协议（IP数据报）转发过程的
   
   路由器转发数据报的过程是比较复杂的，我们通过一个简单的例子，来了解一下这个过程：
   
2. 一个网络层的数据报，每次到达一个路由器，也会进行上述的 问路 过程，每个路由器内部都一个数据结构 路由表 ，根据数据报中的 目的IP，查路由表，如果查到了（问的人，恰好知道怎么走），就直接按照路由表给定的方向（从哪个网络接口进行转发），继续转发就行了。如果没查到（问的人，不知道怎么走），路由表里有一个 默认的表项（下一跳地址），按照默认的表项转发即可

路由表的数据结构，这里的内容是怎么来的？
1.可以手动配置（网管可以根据需要手动配置）
2.自动获取（背后还有一系列的路由表生成算法，有点复杂）
这个路由表的数据结构，面试不考，工作中也不太会用到（除非你是做路由器开发的）

IP协议和TCP协议的复杂程度是一样的，只是我们程序员很少涉及到IP协议

数据链路层

1. 这里也有很多协议，但是比较常见的是 以太网协议

以太网协议

1. 以太网协议：通过网线/光纤来通信，使用的协议，以太网，横跨数据链路层 + 物理层
   2. 以太网协议是有线的，wifi，移动流量（4 G，5G）是无线的，就不太一样

以太网数据帧

1. 格式：
   
   CRC是帧尾，并且是校验和

2. 目的地址和源地址：都是6个字节的，不是IP地址了！！！是网络中的另一套地址体系，mac地址（物理地址），它的定位和 IP地址，有一定的冲突/重合的

为什么搞出mac地址，功能上和IP地址重合呢？

3. mac地址的范围：2^32 * 2 ^16(65535)，比ip地址能表示的范围大多了，现在mac地址还可以作为每个设备的唯一标识

4. mac地址的格式（有线网卡和无线网卡）：

5. IP地址和mac地址各自的用途是什么呢？
IP地址立足于全局，完成整个通信过程的路径规划工作
以太网则是关注于局部，相邻两个设备之间的通信过程

传输层关注的是起点和终点，
网络层关注的是路径的规划

数据链路层关注的是相邻节点之间的转发，mac在不同节点之间转发每次都会发生变化

6. 类型：描述载荷数据是一个什么样的数据，有三种类型的载荷数据（了解即可）
   
   

DNS

1. DNS：应用层协议 & 一套系统，域名解析系统

什么是域名？
IP地址，是用来描述设备在网络上的位置的，一个网站的宣传，IP地址不适合于宣传，它是一个32位的整数，就算用点分十进制来表示了，也不容易读懂。这样就引入了 域名 这样的方式来解决上述问题

域名：单词（表示实际的意义）
比如：www.baidu.com
www.sogou.com
这些域名需要有一套自动的系统，把域名翻译成IP地址（域名和 IP 想象成一组键值对）
大部分的域名都是很便宜的

2. 这个域名系统是怎么进行工作的呢？
   最早的域名解析系统，是通过一个简单的文件来实现的
   hosts 文件：键值对的映射关系
   
   

3. 全世界，无时无刻都有很多的设备需要进行DNS的请求，这一组DNS服务器，能抗得住这么高的请求量吗？？
   
   原始的DNS服务器是根，其他的镜像服务器是赋值原始的DNS服务器的

4. 一个典型的场景，一般进行DNS解析，访问的都是就近的运营商的镜像
   那么如果运营商的镜像服务器，是否会出现问题呢？（非常地常见）
   会出现问题的，比如qq能用，网页打不开（是彻底地打不开）

5. DNS具体是如何查询的。几级域名概念，这里就不多介绍了。