TCP/IP协议

✏️作者：银河罐头
📋系列专栏：JavaEE

🌲“种一棵树最好的时间是十年前，其次是现在”

TCP/IP协议

应用层协议

自定义应用层协议

• 为啥要自定义协议？

当前的应用程序要解决的业务场景是错综复杂的，不同的公司有不同的业务，不同的业务有不同的流程，业务复杂，要用程序来解决这个复杂的业务，程序也就复杂了。因此很难有一个通用的协议满足所有的业务需求。

• 怎样进行自定义协议？

1)结合需求，分析清楚请求响应(客户端服务器之间)要传递哪些信息

2)明确传递的信息是以什么样的格式来组织

可选的方案是很多的。

约定好协议得格式内容之后，客户端就能够按照这个格式构造数据并发送，服务器按照这个格式解析处理。

约定的协议的内容(传递的信息)是和业务相关性非常大的。但是协议的数据组织的格式(传递的格式)和业务关系不大.

典型的用来组织数据的格式：

1. XML 标签化的数据组织格式。使用标签来表示键值对，以及树形结构

开始标签和结束标签需要成对出现，标签中间的部分就是标签的内容，内容可以是数字，字符串，还可以嵌套放别的标签。

HTML 是 XML 的特殊情况

XML中标签名字叫啥都是自定义的

2. json

上述 xml 和 json 都是按照文本的方式来组织的，

优点是可读性好，用户不需要借助其他工具，肉眼能看懂。

缺点是效率不高，占用较多的网络带宽。

xml 要额外传很多标签，json 要额外传很多的key

3. protobuffer (谷歌)

二进制的表示数据的方式，针对上述的数据信息，通过二进制的形式进行压缩表示了。

特点是肉眼观察不了(二进制直接用记事本打开乱码)，但是占用空间小了，占用的带宽也就降低了。

DNS

域名解析系统

域名，网址。

eg：www.baidu.com

要访问网络上的服务器，需要 IP 地址。IP地址不好记，于是就使用一些简单的字符串来表示这个地址。

每个域名都对应了 1/N 个IP 地址。

最原始的做法，是使用一个 hosts 文件

C:\Windows\System32\drivers\etc

像 hash 表一样，建立了 IP 和域名之间的映射关系，当然现在打开 hosts 文件，基本都是空的， # 表示注释

当访问某个域名的时候，就自动请求下 DNS 服务器，DNS 就会进行查询，将得到的结果(具体的 IP 地址)返回给你。

如果你电脑的 DNS 服务器配置的不对，或者 DNS 服务器挂了，此时就会出现一个典型的现象：QQ 能用，但是网页打不开。

当前要求网站的域名不能重复(保证唯一)。

• 全世界这么多网站，如何保证唯一呢？

一级域名，二级域名，三级域名…

pic.sogou.com

.com(公司) 一级域名，类似的一级域名还有 org，cn，us…

sogou 二级域名，表示 搜狗这个公司

pic 三级域名

域名分级了，DNS 服务器也是分级了，有 一级域名 的 DNS 服务器，还有 二级域名，三级域名…

一般常见的就是 三级，四级左右。

www.

具体 www 算 三级还是 四级还是 五级，看域名具体咋写的，

www 是"万维网"的缩写，我们现在使用的这个网络就是 万维网

传输层协议

端口号

端口号：数据库 mysql 默认端口 3306。

端口号起到的效果就是区分一个主机上的具体的应用程序。

所以，同一台主机上，一个端口号不能被多个进程绑定。

使用 IP 地址来区分主机。

eg ：进程 A 绑定了 3306，此时进程 B 也尝试绑定 3306，进程 B 绑定操作就会失败 (抛异常)

端口号是传输层协议的概念，TCP 和 UDP 协议的报头中都会包含 源端口 和 目的端口。

TCP 和 UDP 都是用 2 个字节，16 个 bit 位来表示端口号的，一个端口号的取值范围：0 ~ 65535

最初学习 C 语言，就得知道不同长度字节数表示的数据范围。

1 个字节，8 bit , -128 ~ 127 128 就是 2 ^ 7, 127 就是 2 ^ 7 - 1

​ 0 ~ 255 255 就是 2 ^ 8 - 1

2 个字节 , 16 bit, -32768 ~ 32767 32768 就是 2 ^ 15

​ 0 ~ 65535 65535 就是 2 ^ 16 - 1

4 个字节，32 bit， -21亿 ~ 21亿

​ 0 ~ 42 亿 9 千万

但是自己写程序，绑定的端口号，得是从1024 起的。

0 ~ 1023 这个范围的端口称为"知名端口号/具名端口号"，这些端口号已经分配给了一些知名的广泛使用的应用程序了。

那么我写代码就非要指定 0 ~ 1023 的端口号，行不行呢 ?

1.先确定你这个端口号没有被别的程序绑定

2.你有管理员权限

1023 以下的端口，也不是完全不能用，只是不建议，这些端口虽然被分配给了特定程序，但是这个程序是否在你电脑上运行着，电脑上是否安装了这些程序都是不一定的。

UDP协议

UDP 的特点：无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工。

不可靠传输：没有任何安全机制，发送端发送数据报以后，如果因为网络故障该段无法发到对方，UDP协议层也不会 给应用层返回任何错误信息。

UDP协议端格式

UDP 协议报文结构，这张图，任何一个计算机网络的教科书上都有，而且都是这么画的，但是实际上这么画不够严谨(为了书排版方便，变形了)

UDP 就会把载荷数据(就是通过 UDP socket ，也就是 send 方法拿来的数据)再在前面拼装上几个字节的报头,相当于字符串拼接(此处是二进制的，不是文本的)

UDP 报头里包含了一些特定的属性，携带了一些重要的信息。不同的协议功能不同，报头中的属性信息不同。

对于 UDP 来说，报头 一共 8 个字节，分成 4 个部分(每部分 2 字节)

• UDP 报文长度

这个长度也是用 2 个字节表示的，2 个字节表示的范围是 0 ~ 65535(64 KB).

也就是说一个 UDP 数据报只能传输 64 KB 的数据。

报文长度是整个报文的长度，不是载荷长度。

如果 应用层数据报超过 64 KB ，怎么办？

方案 1: 就需要在应用层，通过代码的方式针对应用层数据报进行手动的分包，拆成多个包通过多个 UDP 数据报进行传输(本来是 send 一次，现在需要 send 多次了)

方案2：不用 UDP 了，换成 TCP(TCP 没有这样的限制)

• 校验和

作用是验证传输的数据是否是正确的。

网络传输，本质上就是光信号/电信号，这些可能会受到一些物理环境的影响(电场/磁场/高能射线)，在这些干扰下可能会出现"比特翻转"的情况。(1->0，0->1)

一旦数据变了，对于数据的含义可能是致命的。

这种现象是客观存在的，不可避免，我们要做的就是及时识别出当前数据是否出现问题。

校验和是针对数据内容进行一系列数学运算，得到一个比较短的结果(2 个字节)。

如果数据内容一定，校验和结果就一定；如果数据变了，得到的校验和结果就变了。

是否有这样的情况，假设数据传输中出错了，但是计算的 校验和 和之前的 校验和 恰好一样？

“要发射导弹” => 0xaabb

“不要发射导弹” => 0xaabb

这个情况理论上存在，工程上出现这种情况的概率极小，忽略不计了。

如果内容相同，得到的校验和一定相同；

如果校验和相同，内容不一定相同(小概率事件)

实际网络传输过程中，往往是把数据的所有字节都参与生成校验和的运算，这样任何一个字节出问题就都能发现了。

针对网络传输的数据来说，生成校验和的算法有很多种。其中比较知名的有几个。

1. CRC

循环冗余校验，把数据的每个字节，循环往上累加，如果累加溢出了，高位就不要了。

好酸但是校验结果不理想，如果数据同时变动了 2 个 bit 位，前一个字节少 1 后一个字节 多 1 这种，就会出现内容变了但是校验和没变这种情况。

2. MD5

MD5 不是简单的相加，有一系列公式来进行更加复杂的数学运算。

MD5算法的特点：

1)定长：无论原始数据多长，得到的 MD5都是固定长度(4/8字节)

2)冲突概率很小：原始数据哪怕只变动一个地方，算出的 MD5 都会差别很大(让 MD5 值更分散了)

3)不可逆：通过原始数据计算 MD5 很容易，通过 MD5 还原成原始数据很难，理论上是不可实现的(计算极大)

MD5 的这些特点使得 MD5 作用更多了：校验和，作为计算 hash 值的方式，加密

3. SHA1

SHA1的特点和 MD5 相同，区别是计算方式不同。

TCP协议

特点是有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。

这里的可靠传输是 TCP 的内部机制，和编码关系不大。

TCP协议段格式

• 4位首部长度

TCP 报文 = TCP 报头(首部) header + TCP 载荷 payload/body

一个TCP 报头长度是可变的，不是像 UDP 报头固定是 8 个字节

• 选项

option (选项) ， optional (可选的，可有可无的)

此处的选项是对 TCP 报文的一些属性进行解释说明的。

首部长度描述了 TCP 报头有多长，选项之前的长度是固定的(20 字节)，首部长度 - 20 = 选项长度

首部长度的单位是 4 字节，

如果首部长度值是 5，表示整个 TCP 报头长度是 20 字节，没有选项；

如果首部长度值是 15 ，表示整个 TCP 报头长度是 60 字节，选项长度是 40 字节

• 保留( 6 位)

reserved

C 语言中，有一类单词，叫做关键字，除了关键字之外，还有一些单词，叫做保留字。

保留字就是现在还没使用，但是保不齐以后要是用，所以现在这占个位置你现在先别用

咱们进行程序开发的时候，其中一个重点考虑的事情就是可扩展性，有些功能可能暂时不需要，保不齐未来需要

• 16 位检验和

和 UDP 校验和同理

TCP工作机制

TCP 是一个复杂的协议，里面有很多机制，这里主要讨论 TCP 提供的 10 个比较核心的机制。

确认应答(安全机制)

TCP 是可靠传输。

可靠，不是说发送方 100% 能把消息发给接收方，而是尽可能把数据传过去，发送方能知道自己的消息是发过去了还是丢了。

确认应答是实现可靠传输的最核心机制。

举个栗子：

张三在追一个女生，有一天张三给女生发消息说"我请你吃饭好嘛？“女生回复他说"好啊”。

当张三收到"好啊"的时候，说明张三发的消息已经顺利被女生看到了(没有丢包)

如果过了好久张三没收到女生的回应，说明丢包了(也可能是已读不回doge)

这里女生回复的"好啊"就称为"应答报文"，也叫作 ack(acknowledge)

TCP 进行可靠性传输，最主要考的就是这个确认应答机制。

A 给 B 发了个消息，B 收到之后就会返回一个 应答报文(ACK)，此时 A 收到应答之后就知道刚才发的数据已经顺利到达 B 了。

考虑更复杂的情况(发送方发多条消息)：

张三可能连续发 2 条消息，张三没等第 1 条消息的回应就发了第 2 条消息。

网络上可能存在"后发先至"的情况，这个情况下收到消息的顺序可能是有变数的。

由于"后发先至"，张三先收到了"滚"，后收到了"好啊"。

很明显这里应答错乱导致出现歧义。

网络中数据的"先发后至"，两个主机之间，路线存在多条，数据报1和数据报2走的都是不同的路线，数据报1的转发路径上的交换机/路由器和数据报2也不一样，有的转发速率快有的转发速率慢，此时这2 个数据报的到达顺序可能会有变数。

网络中的"后发先至"是客观存在的，因此应答报文到达的顺序也是存在变数的，此时就需要考虑如何规避这种顺序错乱带来的歧义。

解决办法是给传输的数据和应答报文都进行编号。

“后发先至”：

eg: 结婚时候新郎的车队可能会后发先至

• 32位序号/确认序号

引入序号之后就不怕顺序错乱了，即使顺序上乱了，也可以通过序号来区分当前应答报文是针对哪个数据进行的。

任何一条数据(包括应答报文)都是有序号的，确认序号则是只有应答报文有(普通报文确认序号里的值无意义)。

报文是否是应答报文，取决于6个标志位中的 ACK，如果 ACK 这个标志位为 1 ，表示是应答报文，如果为 0 表示不是应答报文。

应答报文的序号仅仅是一个身份标识，不需要应答 应答报文，要是应答 应答报文就无限套娃了…

TCP 的序号是按照字节来编写的。

这一条数据是 1000 个字节，假设是从 1 开始编号，此时第一个字节序号就是 1，第 2 个字节序号就是 2…但是由于这 1000 个字节都属于同一个 TCP 报文，TCP 报头里就只记录当前的第1 个字节的序号，此处报头的序号写的是 1。接下来发第 2 条数据，此时第 2 个TCP 数据报的第 1 个字节序号是 1001，如果长度是 1000，此时最后一个字节序号是 2000，这1001~2000都属于一个 TCP 数据报，那么这个TCP 数据报报头的序号就是 1001。

TCP 的字节的序号是依次累加的，这个依次累加的过程对于后一条数据的第 1 个字节序号就是上一条数据的最后一个字节序号再加 1 。每个 TCP 数据报报头只需要填写 TCP 数据 第 1 个字节的序号即可。

TCP 知道了第 1 个字节的序号，再结合报文的长度就可以知道每个字节的序号。

确认序号的取值，是收到的数据的最后一个字节 + 1。

如上图，确认序号写的是 1001，就是在 1000的基础上 +1。

表示的含义：

1. < 1001的数据都已经确认收到了。
2. 主机 A 接下来应该从 1001 这个序号开始继续发送

总结：TCP 的可靠传输，最主要就是通过确认应答来保证的，通过应答报文，就可以让发送方清楚地知道传输是否成功，进一步引入了序号和确认序号，针对多组数据进行区分。

超时重传(安全机制)

前面讨论确认应答，只是讨论了顺利传输的情况。如果丢包了呢？

丢包，涉及 2 种情况：

1.发的数据丢了

2.返回的 ack 丢了

发送方看到的结果就是没有收到 ack ，不能区分是哪一种情况。

丢包是一个概率性事件，通常情况下丢包的概率是很小的，因此如果重新发一遍这个数据还是有很大可能传输成功的。

因此 TCP 就引入了 重传机制。

在丢包的时候，重新传一遍数据。

到底这次传输是丢包了，还是 ack 传的慢？

TCP 就引入了时间阈值。

发送方发出数据后，就会等待 ACK，此时开始计时。只要超过了这个时间，不管是丢包了还是 ack 在路上都视为是丢包了。

比如寒假作业，没带等于没写，虽然你写了，你超过了这个规定提交时间就当做没写处理。

超时重传：超过一定时间还没响应就重新传输。

这个超时时间具体是多少 ms ，因为这个时间是可配置的，不同系统上的默认值可能都存在差别。

如果是 ack 丢了这种情况

对于主机 B 来说，1~1000 就收到了 2 次，如果你发的这个数据是一个支付请求？(寄了)

TCP 对于这种重复数据的传输，是有去重处理的，

TCP 存在一个"接收缓冲区"这样的存储空间(接收方操作系统内核里的一段内存)，

每个 TCP socket 对象都有一个接收缓冲区(其实也有一个发送缓冲区)

主机 B 收到主机 A 的数据

其实是 B 的网卡读到数据了，然后把这个数据放到 B 的对应 socket 的接收缓冲区(想象成阻塞队列)，后续应用程序使用 getInputStream，进一步使用 read，从接收缓冲区里读数据。

在接收缓冲区里，根据数据的序号，TCP 很容易识别当前接收缓冲区里的这 2 条数据是否是重复的，如果重复就把后来的数据丢弃，保证 应用程序调用 read 读到的数据一定是不重复的。

去重可以理解为是一个优先级队列，有序队列。

前面说了，网络上传输的数据可能"后发先至", TCP 利用这个接收缓冲区，对收到的数据重新进行排序，是应用程序 read 的数据都是有序的(保证和发送顺序一致）

根据序号排序，序号相同就去重

eg：结婚当天新郎的车队出现"后发先至"，然后车队都到了新娘家门口的时候要整队，排序

这时候我们可以利用前面提到的序列号，就可以很容易做到去重的效果。

总结：由于去重和重新排序机制的存在，发送方只要发现 ACK 没有及时到达，就会重传数据，即使重复了，即使数据乱了，接收方都能去重和排序(依赖 TCP 报头的序号)。

• 重传的数据是否可能又丢包了呢？

有可能，超时重传可能传多次，如果重传好几次都没传过去，此时再重传意义不大了。

从数学角度来理解：

假设一次传输丢包概率是 10%，传输成功概率是 90%；

如果第1次传输丢包，第 2 次传输也丢包了，概率是 10% * 10% = 1%

如果 3 次都丢了，概率是 0.1%

连续重传都丢包，此时的概率原则上讲是非常低的，如果这个情况真的出现了，只能说明此时丢包概率远远不止 10% => 你当前网络出现重大故障

因此，重传达到一定次数时，就不会继续重传，会认为网络出现故障。

接下来 TCP 会尝试 重置连接(相当于断开重连)，如果重置还是失败就彻底断开连接了。

具体重传几次 N，也是可配置的，不去研究

重传的时候，第 1 次重传和第 2 次重传，超时时间间隔不一样。一般来说，重传轮次越大，超时时间间隔就越大。超时时间越大，重传频率就越低。(因为重传次数越多，说明重传成功概率越低，此时你重传的太快也是白浪费系统资源)

总结：可靠传输是 TCP 最核心的部分，TCP 的可靠传输就是通过 确认应答 + 超时重传来体现的。其中确认应答描述的是传输顺利的情况；而超时重传描述的传输出现问题的情况。

连接管理(安全机制)

什么是断开连接？

A 和 B 把自己存储的连接信息(数据结构)删除了，连接就断开了。

JDBC 是基于 TCP 建立的连接

连接(Connection)

链接(Link) 快捷方式，比如电脑开始菜单的图标就是快捷方式，比如我想打开 QQ，QQ本来是 在 C 盘某个目录里，我每次打开 QQ 都要到这个目录去找未免太麻烦所以就创建一个快捷方式，这个快捷方式就是一个文件，这个文件里保存了这个可执行文件的真实路径

管理：

就是描述了连接如何创建，如何断开。

TCP 三次握手和四次挥手

滑动窗口(效率机制)

确认应答，超时重传，连接管理，都是给 TCP 可靠性提供的支持。

引入了可靠性，也付出了相应的"代价"(传输效率)

可靠性和效率是冲突的。

因此 UDP 虽然没有 可靠性，但是传输效率比 TCP 高

所以 TCP 在竭尽可能的提高传输效率(本质上是补救措施)。再怎么提高，也不可能比 UDP 这种不考虑可靠性的效率高。

滑动窗口本质上是降低了确认应答，等待 ACK 消耗的时间。

在进行 IO 操作的时候，其实时间成本主要是 2 个部分：
1.等

2.数据传输(数据拷贝)

大多数情况下，IO 操作消耗的时间大部分在"等"上面

举个栗子：
放寒假从学校回家，如果两地比较远，坐飞机回家的情况下。

真正坐飞机的时间很短，但是因为机场一般离市区很远，从学校到机场要花时间，到了机场后换登机牌、托运行李、安检、候机又要花上不少时间，飞机到达目的地，取行李，从机场到家里又要花上不少时间。

这里真正坐飞机的时间就相当于 数据传输的时间，较短。

而其他花在路上的时间，等待时间，比较长。

具体怎么缩短？
批量发送，批量等待，把多份等待时间合并成一份。

滑动窗口的本质就是不等待的批量发送一组数据，然后使用一份等待时间来等待一组数据的多个 ack。

举个例子：

我打算去买肉夹馍，炒饭，烤肠。

方案一：先去买肉夹馍，肉夹馍做好了，再去买炒饭，炒饭做好了，再去买烤肠。

方案二：先去买肉夹馍，不等了立即去买炒饭，也不等立即去买烤肠。

方案一就是用了 3 份等待时间，而方案二只用了 1 份等待时间

把不需要等待，就能直接发送数据的最大的量，叫做"窗口大小"。上面第 2张图里"窗口大小"就是 4000。

当批量发送了 窗口大小的这些数据之后，发送方就要等待 ack 了。

• 啥时候往下发送？等待啥时候结束？

不是说等所有的 ack 都到达才往下发，而是收到一条 ack 就往下发 1 条。(这样就让我们等待的 ack 始终都是 4 条)

在上述情况下，如果丢包了咋办？

1. ack 丢了

上述丢包重传的机制，叫做 “快速重传”(重传操作只重传了丢失的数据)

这个可以视为是 超时重传 机制在滑动窗口下的变形。

如果当前传输数据密集，按照滑动窗口的方式传输，此时就按照快速重传来处理丢包；

如果当前传输数据稀疏，不再按照滑动窗口的方式传输，此时就按照之前的超时重传来处理丢包。

流量控制(安全机制)

是一种干预发送的窗口大小的机制。

滑动窗口，窗口越大，传输效率越高(一份时间等的 ack 越多)。

但是窗口也不能无限大

1.完全不等 ack ， 可靠性难以保证

2.窗口太大也会消耗大量的系统资源

3.发送速度太快，接收方接收不过来，发了也白发，接收缓冲区有上限。

接收方的处理能力，是一个重要的约束依据。发送方发的速度不能超过接收方的处理能力。

流量控制就是，根据接收方的处理能力，来协调发送方的发送速率。

如何衡量接收方的处理能力？

一个量化的方法：计算接收方一秒钟能处理多少个字节…(这种方式实现起来有些困难)

更简单的办法：

直接看接收方接收缓冲区里剩余空间的大小。

每次 A 给 B 发了个数据，B 就需要算一下缓存区里剩余空间，然后把这个值，通过 ack 报文返回给 A。

A 就根据这个值来决定接下来发送的速率是多少(窗口大小是多少)

• 窗口大小 16 位，是否意味着，窗口大小最大是 16 kb ？

不是！

TCP 为了让窗口更大，在选项部分引入了窗口扩展因子。

比如窗口大小已经是 64 kb，扩展因子里写了个 2 ，意思就是让 64 kb << 2 = 256kb

由于接收方缓存区剩余空间是一直在动态变化的，所以每次返回 ack 带的窗口大小都在变化，发送方也要进行动态调整。

当窗口大小为0，发送方就要暂停发送。暂停发送的等待过程中，会给 B 定期发送窗口探测报文，这个报文不携带具体的业务数据，只是为了触发 ack 查询窗口大小。

拥塞控制(安全机制)

流量控制和拥塞控制共同决定发送方的窗口大小是多少。

流量控制考虑的是接收方的处理能力。

拥塞控制描述的是传输过程中中间节点的处理能力。

木桶效应：一只水桶能装多少水取决于它最短的那块木板。

接收方的处理能力，好量化衡量。但是中间节点不好衡量。

设计 TCP 的大佬们，想出了一个相当 天才的办法，

既然不好直接量化，那么可以通过"实验"的方式，来测试出一个合适的量

拥塞窗口不是固定数值，而是一直动态变化的。随着时间的推移，逐渐到达一个动态平衡的过程。

这样既能够把问题解决，同时也能随着网络的动态变化而动态变化。

拥塞窗口和流量控制窗口，共同决定了发送方实际的发送窗口。(取拥塞窗口和流量控制窗口的较小值)

延时应答(效率机制)

就是在 滑动窗口的基础上，做点别的操作。

收到数据之后，不是立即返回 ack ，而是稍微等会再返回。等待的时间里，接收方的应用程序就能把接收缓存区的数据给消费一些，此时剩余的空间就更大了。

实际上延时应答采取的方式，就是在滑动窗口下，ack 不再每一条数据都返回了，比如上图是隔一条返回一个 ack。

实际上剩余空间大小，既取决于发送方的发送，也取决于接收方的处理。

捎带应答(效率机制)

也是提高效率的一种方式。

在延时应答的基础之上引入的捎带应答。

服务器客户端程序，最典型的模型就是，“一问一答”。业务的请求和响应。

本来是不同时机，在延时应答下，可能成为相同时机，就合并了。

而 TCP 的三次握手本身是相同时机一定会合并，此处是有一定概率合并，此处和四次挥手的合并更像。

延时应答提高了合并的概率。

面向字节流

面向字节流，引入了一件麻烦事，

• 粘包问题。

举个栗子：

接收缓冲区是把刚才收到的多个数据都放到一起了，应用程序 read 读取的时候，读到哪里才算是一个完整的应用层数据报呢?

由于 TCP 是面向字节流的，可以一次读 1 个字节也可以一次读 N 个字节。

这就导致一次读取的时候，可能读到的是半个应用层数据报，也可能是 1 个应用层数据报，还可能是多个应用层数据报。

应用程序调用 read，

如果 read 的是 7 个字节，此时正好读出的是 aaaaaaa，这是一个完整的应用层数据报；

如果 read 的是 8 个字节，此时正好读出的是 aaaaaaab，这是"一个半"的应用层数据报；

如果 read 的是 6 个字节，此时正好读出的是 aaaaaa，这是半个应用层数据报。

在 TCP 层次，没有在 socket api 中告诉我们要读几个字节，具体怎么读都是人为操作。

期望读到的是整个的应用层数据报，后续才好处理。

• 解决方案是 ：约定好应用层协议即可，尤其是明确应用层数据报和应用层数据报之间的界限。

1.约定好分隔符

2.约定每个包的长度

二选一即可。

异常情况

传输过程中出现了不可抗力。

1.进程崩溃

2.主机关机(按照正常流程关机)

3.主机掉电

4.网线断开

1 和 2 是一类，3 和 4 是一类。

1.进程崩溃：进程没了，对应的 PCB 没了，对应的 文件描述符表就释放了，相当于 socket.close()。此时内核会继续完成四次挥手，此时仍然是一个正常断开的过程。

2.主机关机：主机关机要先关闭进程，然后才正式关机。(关闭进程的过程中，也和上面一样触发四次挥手)

3.主机掉电：显然是来不及挥手了。

假设是接收方掉电了。发送方仍然在传数据，发完数据要等 ack , ack 等不到…超时重传，再怎么重传还是收不到 ack。重传几次还没有应答，尝试重置 TCP 连接，(复位报文段…RST)。显然这个重置也会失败。放弃连接。(单方面放弃)

如果是发送方掉电。接收方发现没有数据了，没数据是发送方挂了？还是发送方在组织语言要稍等会再发？接收方不知道，先等。接收方需要周期性的给发送方发送一个消息(“心跳包”)，确认下对方是否还工作正常。

• 心跳包(保活机制)

1.心跳是周期性的；

2.心跳如果没了就是挂了。

心跳包是一个非常常见的机制，分布式系统中还会涉及到心跳包

心跳包来确认通信双方是否工作正常。

4.网线断开：发送方尝试重传，接收方尝试发心跳包。

TCP 是个非常复杂的协议，不仅仅是这 10 个特性，这是 TCP 比较核心的特性。

了解 TCP 更多的特性，应该去翻阅 RFC 文档，翻阅操作系统内核源码

RFC 9293: Transmission Control Protocol (TCP) (ietf.org)

UDP 和 TCP 对比

TCP 的优势在于，可靠传输，绝大部分场景中，都需要可靠传输。

UDP 优势在于，更高效率，如果某些场景对于性能要求更苛刻。

同一个机房内部，服务器之间通信。网络结构相对简单，网络带宽比较充裕，转发设备也是比较好的设备。整体丢包的可能性比较小。

UDP 还有一个优势，天然支持广播。

IP 地址中有一种特殊的地址，“广播 IP”

通过 UDP 往广播 IP 上发送数据，此时该局域网内所有的设备都能够收到数据。

传输层的协议并非只有这 2 个。除了 TCP ，UDP 之外，还有一些其他的传输层协议。有的传输层协议，属于能够专门为游戏场景量身打造的(可靠性 + 效率) , 典型的协议，以 KCP 为代表的一系列协议。

网络层协议

在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

1.地址管理

快递系统要想要建立起来，就需要把世界上的地址能够以一定的规范定义出来。

2.路由选择

规划路径

网络层的代表，IP协议。

IP协议

IP协议报头格式如下：

IPv4协议(v4 版本的意思)

• 4 位版本

此处的取值只有 2 个。4 或 6。

IPv4，IPv6

• 4 位首部长度

描述了 IP 报头多长(IP 报头是变长的)

此处的单位也是 4 字节。

IP 报头有一个选项部分，是变长的，是可有可无的。

• 8 位服务类型(TOS)

说是 8 位，实际上只有 4 位有效，这 4 位中只有 1 位可以是 1，其他的都是 0。

4 位就表示 IP 协议的四种形态/4 种工作模式。

最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。

最小延时，包裹会最快速度送达。

最大吞吐量，单位时间内你可以送更多的包裹。

最高可靠性，包裹丢的概率是最小的。(和 TCP 的可靠性不是一个概念)

最小成本，让运费最低。

实际开发中就可以根据需要，来切换 IP 的模式，来达到最优的效果。

• 16位总长度(字节数)

描述了一个 IP 数据报的长度。(头 + 载荷)

这个长度减去 IP 报头长度，剩下的就是载荷长度，就是一个完整的 TCP/UDP 数据报长度。

• 16 位总长度，是否意味着一个 IP 数据报，最多只能支持 64 KB？

确实有这个限制，但是 IP 自身就支持对 包的拆分和组装。

举个栗子：

在淘宝上买了个床，快递公司怎么运？把床拆开，以散件的形式发过来，送到了家里，有师傅上门组装。

一个 IP 数据报携带的数据载荷太大了，超过了 64KB，就会在网络层针对数据进行拆分，把一个数据拆分成多个IP 数据报，再分别发送，接收方再重新组装。

比如，发送方：把 100KB 的数据交给传输层(封装)，传输层交给网络层(封装)，网络层就把这个 100KB 的数据拆包，比如拆成两份 64KB + 36KB。这两份再交给数据链路层，由以太网分装成两个数据帧。接收方：数据链路层针对两个数据帧进行分用，得到两个 IP 数据包交给网络层，网络层针对这俩 IP 数据包进行解析，把里面的载荷拼成一个，交给传输层

此处说是 64 KB，实际上 IP 协议拆包不一定就按照64 KB为单位进行拆分，实际的单位往往更小(取决于数据链路层的情况)

• 8位生存时间(TTL)

一个数据包在网络上能够传输的最大时间。

这个时间的单位不是秒，而是次数

一个数据报构造出来，会有一个初始的 TTL 数值(比如32或者64或者128)这个包每次经过一个路由器转发 TTL - 1，如果一直减到 0 了，还没有到达目标，此时就认为这个报永远都到不了了，就可以丢弃了。

• 8 位协议

描述了当前载荷部分内容是属于哪个协议的(TCP/UDP)

• 16 位首部检验和

此处只需要针对首部进行检验。

载荷部分(TCP/UDP数据报)自身已经有校验和了。

如果校验和不一致，直接丢弃

• 32 位源 IP 地址

• 32 位目的 IP 地址

此处看到的 IP 地址是 32 位的整数，

而日常见到的 IP 则是一串数字 ， eg：111.183.72.219

点分十进制：使用 3 个"."把32位四个字节的数字给分隔开，分成四个部分，每个部分分别使用0 - 255 十进制整数表示。

地址，期望每个设备都不相同，但是32位数字只能表示42亿9千万个数字.

期望使用这个表示全世界上所有的上网设备。(智能手机，PC，服务器，路由器，其他杂七杂八的网络设备，物联网)

• 为了解决IP地址不够用的问题，想了很多办法。

1. 动态分配IP地址，此时就可以省下一批 IP 地址，这个方案没有从根本上增加 IP 地址，只是提高了利用率。

2. NAT 网络地址转换。本质是使用一个 IP 代表一批设备，也能够大大提高 IP 地址的利用率。使用端口号区分。

在NAT的背景下，就把 IP 地址分成两个大类：

1)内网 IP (私有 IP) 10.* 172.16.* - 172.31.* 192.168.*

2)外网 IP (公网IP) 剩下的是公网 IP

NAT要求，公网 IP 必须是唯一的。私网 IP 可以在不同的局域网中重复出现。

如果某个私网里的设备想访问公网设备，就需要对应的 NAT 设备(路由器)，把 IP 地址进行映射，从而完成网络访问。

反之，公网的设备，无法直接访问私网的设备。不同局域网的私网的设备没法直接相互访问。

cmd - ipconfig

内网 IP 只要在局域网内部不重复即可，不同局域网中则是允许重复的。

111.183.72.219 这是一个外网 IP

这些接入运营商路由器的电脑去访问外部服务器，都会被路由器替换成路由器自己的外网 IP 。

此时只要这个电脑是经过运营商路由器转发给服务器，服务器看到的源 IP 就都一样，如果是多个电脑同时访问同一个服务器，服务器的响应就会先发给路由器，路由器根据这些电脑不同的端口号来区分，决定发给哪个设备。

因此，服务器能拿到的只是路由器的 IP 不能拿到我电脑的内网 IP ，如果我电脑不主动和服务器联系，服务器就不知道我的端口，从而无法主动找到我。

NAT机制能够有效的解决 IP 不够用的问题，但是带来的副作用就是网络环境更加复杂了。

3. IPv6 : 根本上解决了IP不够用的问题。

使用16字节表示IP地址，128位。

16字节表示的地址的个数：(42亿)^4

IPv6 虽然看起来非常好，但是世界上仍然是以 NAT + IPv4 + 动态分配来进行网络组建的，真正使用 IPv6的地方非常非常少。

因为 IPv6 贵，IPv6和IPv4不兼容，如果你想要支持IPv6，就需要更换路由器等网络设备，花钱，这个钱花的就没啥收益。因此大家都不愿意去升级。

IPv6 中国已经普及80%，背后原因

地址管理

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。

• 一个 IP 地址前面从哪儿到哪儿是网络号，后面从哪儿到哪儿是主机号，分界线是怎么定的？

有一个单独的概念，

子网掩码

网络号不一定就是前三个字节，都是可以调整变化的。

此处的 255.255.255.0 就是子网掩码。

32位

1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000

左侧都是 1，右侧都是 0，1的部分就描述了 IP 有多少位是网络号。

对于家用设备来说，子网掩码最常见的就是 255.255.255.0

将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网；192.168.0.0

将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有 主机发送数据包;(192.168.0.255 使用udp往这个地址上发数据报,整个局域网所有设备都能收到)

127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1

主机号为 1，比如 192.168.0.1 通常是"网关 IP"(不绝对，都可以配置)

将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号。 将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。

路由选择

路由选择就是规划路径。

相当于你使用地图导航一下，由于网络环境非常复杂，任何一个节点(路由器)都是无法感知到网络环境的全貌。一个路由器，最多只认识它的一些"邻居"或者"邻居"的"邻居"，进行一个比较长的路径的转发就比较麻烦，需要一边走一边问。

路由选择，核心思路是"问路"。每个路由器都会保存一定的周围设备的信息(路由表)，每次有一个 IP 数据报经过，路由器就需要匹配路由表，看看接下来咋走，如果路由表上有匹配的项(该路由器认识路)，直接按照要求走就行了；如果没有匹配的项，路由器不认识路会提供一个默认路径，大体方向是不会错的，沿着这个方向继续走，继续问。

每经过一个路由器问一次， TTL- 1，如果减到零了，还没到说明这个包就永远都到不了了，这个地址没人知道了，就被丢弃了。

六度空间理论：你和任何一个陌生人之间所间隔的人不会超过六个，也就是说，最多通过6个中间人你就能够认识任何一个陌生人。

正常情况下，像 32 这样的 TTL 足以让我们把数据报转发给世界上任何一个地址。

数据链路层协议

以太网

以太网帧格式

• 目的地址，源地址

此处不是用 IP 地址 表示了，而是用 mac 地址。

• mac 地址

  物理地址。这个是和 IP 地址完全独立的另外一套地址体系。

  6 个字节，(比 IPv4 地址大很多)当前每个设备都会有唯一的 mac 地址。不是动态分配的，而是网卡出厂的时候就被设置好了的。

当前 IP 和 mac 是怎么相互配合的？

IP 用来描述整个传输过程的起点终点，mac 则是用来描述两个相邻结点的起点终点。

• 类型

• ARP 协议

通过这个协议，让某个 路由器/交换机 能够认识局域网里的其他设备。通过 ARP 协议会在 路由器/交换机 里建立出一个 表，这个表相当于一个 hash 表，能够建立出 IP 和 mac 之间的映射关系。

MTU

MTU 是数据链路层的一个数据帧能够承载数据的最大长度。(载荷长度)

载荷具体多长，和使用的物理介质有很大关系，也和数据链路层使用的协议有关系。比如以太网协议，MTU 1500字节(这个和物理层有很大关系)

正是这个 MTU 引起了 IP 协议拆包组包，IP 协议的分包组包通常不是根据 这个 IP 最大长度 64KB 来分的。大概率情况下，MTU 比 64 KB 小。