【JavaEE网络】网络编程及其应用概述

目录

        • 面向字节流
          • 粘包问题
        • TCP异常情况
        • TCP/UDP对比
      • 网络层重点协议
        • IP协议
        • IP地址

面向字节流
粘包问题

在面向字节流的情况下，会产生一些其他的问题：粘包问题，这里“粘”的是“应用层数据报”，通过TCP read/write的数据，都是TCP报文的载荷，也就是应用层数据。
发送方一次性是可以发送多个应用层数据报的，但是接受的时候，如何区分，从哪里到哪里是一个完整的应用层数据报？如果没设计好，接收方就很难区分，甚至产生bug！

那么如何避免粘包问题呢？归根结底就是一句话，明确两个包之间的边界。

在这里插入图片描述

此处正确的做法，是合理地设计应用层协议，这件事本身在传输层这边已经无解了，需要站在应用层的角度，来解决这个问题

1.应用层协议中，引入分隔符，区分包之间的边界。

比如\n

2.应用层协议中，引入"包长度”，也能区分包之闻的边界。

比如使用最开头固定的2个字节表示包的长度，0x0003aaa

粘包问题不仅仅是TCP才有的，只要是面向字节流的机制（文件）也有同样的问题，解决方案也都是一样。要么使用分隔符，要么使用长度

TCP异常情况

网络本身就会存在一些变数，导致TCP连接不能继续正常工作了。以下是出现那些情况时TCP如何处理使其正常

  1. 进程崩溃

进程就没了=>PCB没了=>文件描述符表也就被释放了=>相当于调用了socket.close()，socket在系统内核也是一个文件，也会被放到文件描述符表中=>崩溃的一方就会发出FIN，进一步触发四次挥手，此时连接就正常释放了。此时TCP的处理和进程正常退出没啥区别

  1. 主机关机（正常步骤的关机）

正常关机，就会先尝试干掉所有的进程（强制终止进程），就和上述所说的崩溃的处理是一样的。主机关机会有一定的时间，在这个时间内四次挥手可能是挥完的，如果没挥完也没事

  1. 主机掉电（拔电源，没有任何反应的机会）

电脑瞬间黑了，此时自然就没有任何可以操作的空间了。

在这里插入图片描述

此处就涉及到"心跳包”，B这边虽然是接收方，也会周期性的给对方发起一个 不携带任何 业务数据(载荷)TCP数据报

发起这个包的目的，就是为了触发ACK，就是确认一下A是否正常工作/确认网络是否畅通.

  1. 网线断开

相当于主机掉电的升级版。

此时A和B就无法通信了
A这边发生的情况，就是主机掉电的第一种情况
B这边发生的情况，就是主机掉电的第二种情况

以上 TCP 介绍的十个核心的特性

  1. 确认应答(可靠性)
  2. 超时重传(可靠性)
  3. 连接管理(可靠性)
  4. 滑动窗口(效率)
  5. 流量控制(可靠性)
  6. 拥塞控制(可靠性)
  7. 延时应答(效率)
  8. 捎带应答(效率)
  9. 面向字节流 => 粘包问题(编程注意事项目)
  10. 异常情况处理 => 心跳包(异常情况)
TCP/UDP对比

我们说了TCP是可靠连接，那么是不是TCP一定就优于UDP呢？TCP和UDP之间的优点和缺点，不能简单，绝对的进行比较

  • TCP用于可靠传输的情况，应用于文件传输，重要状态更新等场景；
  • UDP用于对高速传输和实时性要求较高的通信领域，例如，早期的QQ，视频传输等。另外UDP可以用于广播；

网络层重点协议

在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

IP协议

协议头格式如下：

在这里插入图片描述

  • 4位版本号（version）：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。现有的IP协议只有两个版本，IPV4，IPV6

  • 4位头部长度（header length）：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。

    IP报头是可变长的

    IP报头又是带有选项的

    此处单位也是4个字节

  • 8位服务类型（Type Of Service）：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）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。

    最小延时：传输一个数据报的时间尽量短
    最大吞吐量：一定时间内传输的数据量尽量多

    最高可靠性：在传输过程中最不容易触发丢包

    最小成本：在传输过程中消耗的硬件资源最低

  • 16位总长度（total length）：IP数据报整体占多少个字节。IP报头 + 载荷 的长度

  • 16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。

  • 3位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为1，其他是0。类似于一个结束标记。

  • 13位分片偏移（framegament offset）：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）。

    16位标识、3位标志字段、13位分片偏移：描述了整个 IP 数据报拆包组包的过程

  • 8位生存时间（Time To Live，TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。

  • 8位协议：表示上层（传输层）协议的类型。

  • 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。

  • 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。（数据部从哪来到哪去）

  • 选项字段（不定长，最多40字节）：略。

IP地址

网络上有那么多主机，需要有办法描述主机的具体位置。IP地址就是解决这个问题的关键。

IP地址概念

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

IP地址作用

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

IP地址格式

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：01100100.00000100.00000101.00000110。

通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：100.4.5.6。

所谓的IP地址其实是一个32位的整数（4字节），表示方式：点分十进制。因为32位的方式表示很难记忆。点分十进制：使用三个.把32位分成4部分，每个部分就是8位，1字节，每个字节范围0-255（不带符号）

IP地址不够用了怎么办？[重点]

  1. 动态分配IP（DHCP）

你这个设备，不会一直需要上网，需要上网，就分配ip，不需要就先不分配。

这种方案，只能缓解，不能根治

  1. NAT机制（网络地址转换）（理解网络结构的重点）

只需要保证在我所在的局域网内不重复即可，在别的局域网也可以使用这样的IP地址。此时，大量的设备可以使用同样的IP了（但是是在不同局域网中），此时 IP 不够用问题就得到了很大的改善了

但还是想了别的办法。把IP地址分成两大类：

  1. 内网IP：不同的局域网内的设备，内网 IP 可以重复；同一个局域网内的设备，内网 IP 不能重复

10.*

172.16.~172.31.

192.168.*

以上三种开头的是内网IP

  1. 外网IP：外网IP不能重复

局域网之间如何通信？

  1. 如果局域网内部的设备之间进行通信，肯定是可以的（局域网内部 内网 ip 都是唯一的）
  2. A局域网中的设备，想和 B 局域网中的设备通信，这个时候咋办？（当前很可能这俩设备的 ip 相同）

当前的规则是禁止的！要想通信，就需要有一个带有外网 IP 的设备进行中转

  1. 局域网内部的设备访问带有外网 IP 的设备

像平时使用的电脑，手机，都是在局域网内部使用，他们会有一个内网 IP

还有一类设备，是“服务器”，服务器可以有外网 IP

这个过程中，就涉及到 NAT 工作过程了

在这里插入图片描述

NAT机制下，意义在于说，一个外网IP代表的不一定是一个设备了，而是很多设备

上述过程是简化的，不太严谨。真实情况是，我的电脑的数据经过我家路由器，会进行 NAT，经过电信光猫，又有 NAT，经过电信路由器又有 NAT，（每次经历路由器转发，都“可能”会触发 NAT 机制，至于是否触发，取决于路由器咋配置的）

NAT机制的缺点：

  1. 效率不高
  2. 非常繁琐
  3. 不方便直接访问局域网内的设备

NAT最大的优点：纯软件实现（省钱）

  1. IPv6（从根本上解决IP地址不够用的问题）

IPv4，是 4 个字节，32位，表示 IP 地址

IPv6，是 16 个字节，128 位，表示IP 地址

2^32=42亿左右

2^128次方=4个42亿相乘，这个数字足以支持我们把地球上的每一粒砂子都分配一个 IP 地址

但由于IPv4和IPv6不兼容，要想升级IPv6就要升级路由器设备=>花钱

相比之下，NAT方案只需要路由器开发商开发出新版本的软件(路由器固件)，升级软件，即可直接支持（成本非常低的）

IP地址的组成

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；

主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；

通过合理设置网络号和主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都是唯一的。

  1. 同一个局域网中设备的 网络号 必须相同，主机号 必须不同
  2. 两个相邻的局域网，网络号必须不同

那么，如何划分网络号和主机号呢？

  1. 通过子网掩码识别

在这里插入图片描述

cmd后输入 ipconfig /all 就能找到

子网掩码和 IP 地址一样，也是 4 字节，32 位的整数。左侧必须是连续的 1，右侧必须是连续的 0

  1. 分类

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类

在这里插入图片描述

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