网络知识 —— TCP - IP

一. 复习 - 网络原理

1. 层次划分（TCP / IP）

应用层 -> 传输层 -> 网络层 -> 数据链路层

2. 局域网内，数据链路如何通信：

数据的广播的特性（MAC 地址） / 冲突域

3. 局域网内，应用层 和 应用层之间如何通信

• 从上往下：不断封装
• 从下网上：不断解包、不断分用

4. 跨局域网的情况下，应用层 和 应用层如何通信：

5. 路由设备：

划分局域网，网关的作用

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二. 复习 http 协议

应用层的最主要的一个协议

1. URL 的概念：

资源的唯一标识地址

2. 请求：

客户端发送的就是请求

3. 响应：

服务端发送的就是响应

4. C/S：

Client 是请求资源方，Server 是提供资源方。（相对的）

5. 请求格式：

这个图有个错误，空行是属于请求头的内容，详情参照响应格式的响应头
常见的方法：

默认方法为 GET
常见的方法是 GET 和 POST：区别：GET 没有请求体，POST 有请求体

6. 相应格式：

常见的状态码：三位数

1xx	不常见	不常见
2xx	请求成功	200
3xx	资源需要跳转	301/ 302/307
4xx	客户端错误	403 / 404 / 405
5xx	服务器错误	500/502/504

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三. 复习socket编程

代码见我的GitHub
关于udp和tcp的 cs 套接字

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四. TCP/IP 协议（传输层 + 网络层 + 数据链路层）

1. 传输层：端到端

端口 + IP

在网络上（不考虑私网）：

• IP 的作用是唯一标识一台主机，主机拥有唯一的一个 IP 地址，主机可以拥有多个 IP 地址（主机里边有多个网卡）
• Port 的作用是标识主机上的唯一一个进程，一个进程可以拥有多个port，而一个port 只能属于一个进程
• 一组 IP + port 可以标识网络上的一台唯一的主机 和 该主机上的唯一一个进程
• 五元组（先不管协议）：远端 + 本地
  源 IP + 源端口号 + 目的 IP + 目的端口号 + 协议号
  可以标识网络网络上唯一一个端对端的通信通道
• 五元组工具演示
  
  
• 常见的端口划分策略
  • 建议 1024 以下的端口留给知名的一些服务用（well know），只是建议，例如：MySQL 的端口是 3306.导致监听 1024 以下的端口时，一般需要管理员。
  • 常见的端口：
    
    其他：MySQL 服务器，使用 3306 端口；
    DNS 服务器，使用 53 端口。

两个问题

• 一个进程是否可以绑定多个端口号？
  • 可以
• 一个端口号是否可以被多个进程绑定？
  • 不行，但是有特例

2.UDP 协议

• 特性：

  • 不可靠的：没有确认机制、没有重传机制；如果因为网络故障该段无法发送到对方，UDP 协议层也不会给应用层返回任何错误信息
  • 面向报文：不能灵活的控制读写数据的次数和数量
  • 无连接：知道目标的 IP 地址和 端口号就直接传输，不需要建立连接

• UDP 首部
  
  解包用的是 UDP 长度，分用用的是 源端口号
  源端口号，还是
  
  校验和

验证数据的正确性（数据在传输过程中没有发生错误变化）
若是数据发生错误怎么办？直接丢弃

• 其他知识

• UDP 没有发送缓冲区(指的是 UDP 传输层上),即UDP 不保存数据,收到数据,进行加工(套上UDP首部),就直接发送
• UDP 的发送成功代表数据已经到达了 网络层,但不代表对方收到
• UDP 有接收缓冲区
• 应用层 receive 是堵塞的
• UDP 的socket 能读能写,所以是全双工的

• 基于UDP 的应用层协议

• NFS: 网络文件系统
• TFTP: 简单文件传输协议
• DHCP: 动态主机配置协议
• BOOTP: 启动协议(用于无盘设备启动)
• DNS: 域名解析协议

• DNS(Domain Name Service)域名解析服务
  即 把 www.baidu.com 变成 172.16.34.44
  

• DHCP:动态申请IP
  
  DHCP / Local DNS / Gateway(网关) ------- 都是家里的路由器

3. TCP 协议:

• 3.1 TCP首部
  
• 目的端口用来分用，首部长度用来解包
  
  不太重要的字段:

URG:urgent 紧急1 + 配合 16 位的紧急指针 使用
PSH:push,在发送数据时,因为有缓冲区,可以用 psh,建议别缓冲这份数据
校验和:检查数据正确性

3.2TCP 的特点:

• 可靠性:为了保证可靠性而实现一些机制
• 有连接
• 面向流

3.3 确认应答机制:

• 可靠性的第一种表述：作为一个发送方，希望知道我的数据接受方是否收到。
  
  32位的 序号(Sequence Number,SN) 就是编号
  32位的确认序号(Acknowledge Sequence Number,ASN)就是确认编号

发送的每个数据都带着 SN
如果数据中的 ACK 被置为1,标识该 TCP 包蛋确认含义(发送数据和确认含义公用的)
ASN 可以计算出收到哪些序号

• 其中,一个 TCP 的通信过程中，只有第一个 Segment 的 ACK 没有置为 1，其他全部含有 ACK 含义.
• ASN 的细节含义:希望发送端发送的下一个字节序号
  
• 可靠性的第二种表述:保证数据是按序收到的
  
  汽车按照1,2,3的序号按照不能的路线发送,在到达最终结果时的顺序为:2,1,3.
  TCP 利用 SN 和 ASN 可以保证 数据是按序收到的,如上例,2在1号车前边到达时,TCP可以利用SN序号,让接收方在接收了 1号车之后,在接收2号车.
  SN的第二个作用

3.4 超时重传机制
向接收方发送数据,但在一定时间后,并没有收到来自接收方的确认信息

• 可能是对方没有收到我的数据,接收方之前没有收到,所以可以接收此次的重复传递
• 对方收到数据,但对方发来的应答,我没有收到,接收方重复接收,但因为有序号,所以可以直接丢弃,也没有问题

超时重传的含义:

• 超时:指的就是超过了这个估计时间
• 重传:把没有收到应答的数据重新发送一次
  一定时间:估计我的话传到对方的时间 + 对方应答传回来的时间

SN的第三个作用:去掉重复包

3.5可靠性的含义：
第 0 层含义：数据不会出现错误。 By 校验和
第 1 层含义：确保发送的数据，对方有收到 By 确认应答（SN/ASN/ACK）
第 2 层含义：确保发送的数据，对方是按序收到 By SN
SN 的第三个作用：接收方可以通过 SN 去重

其中，基于确认重传机制，对于 TCP 连接中的所有 segment 都需要应答，除了 ACK 本身（应答(无数据)不需要应答回复）

3.6 TCP 的发送缓冲区 和 接收缓冲区

• 为什么要有发送缓冲区

  其中一个原因，就是我发送的数据有可能需要重传，所以 TCP 需要暂时把这些数据保存到发送缓冲区

• 为什么要有接收缓冲区？
  a）因为数据可能是无序到达的；b）数据到达后，应用层不是马上取走
  
  对于 TCP 来说：

• 发送成功：os.write(…)；成功，代表知识数据被写入到 TCP 协议栈的发送缓冲区了，并不代表数据发送到网络上，更不代表对方已经收到

• 接收方：is.read(…)；如果接收缓冲区中有准备好( 有数据，并且不能有空洞 / 数据按序接收完 )，的数据，直接返回；如果没有数据，则会一致阻塞，知道数据准备好。

• byte[] buf = new byte[1024]; int len = is.read(buf,1024); 从应用层角度，应用层准备好了 1024 的课件，最多可以接收 1024 字节的数据，应用层不一定读到 1024 字节的数据，实际读到的数据长度是 len。

3.7 连接管理 —— 以可靠性为基础
确认应答 / 超时重传 / 发送缓冲区 + 接收缓冲区 都是 以 一条通信通道（五元组）为单元进行组织管理
例如：在 61.35.38.244 这个主机上的两个进程，他们都有各自的确认应答、有各自的缓冲区，互不干扰

问题：

1. 为什么需要 TCP 连接？
   因为这套机制是以不同五元组描述的通道分别管理的。
2. 什么是连接(Connection)
   1） 抽象层面上：五元组唯一标志的一条通信通道
   2）OS 层面：一个 Connection 对象，描述五元组信息 + 各种管理信息（SN / ASN + 缓冲区信息）
   3）OS 通过 List / Map 把 Connection 对象组织起来

3.8 连接管理( 主要是 TCP 协议栈的视角，结合应用层代码理解 )

前提知识：理解 socket

1）套接字：OS 提供的用于应用层 和 网络协议栈进行通信的一套标准接口。
2）套接字上会绑定响应的连接，进行通信
TCP server：ServerSocket ss = new ServerSokcet(8888);
a) 新建 socket
b）绑定本地 ip + 本地 端口
c）监听（listen）

3.8.1 TCP 三次握手建立连接

三次握手要注意到的标志位：
SYN：表示建立连接，进行信息的同步
ACK：确认应答用的，表示确认之前收到的 segment ，配合确认编号（ASN）使用，空的ack不需要应答

练习题：

答案：

TCP 的状态转换

和应用层代码结合

总结常见的面试题

• 描述三次握手的过程？
  • 标志位：SYN + ACK
  • 状态转移
  • SN + ASN
  • 结合应用层代码
• 为什么是三次？
  • 为什么不能两次？
    C 发 SYN，S 回 ACK，S 发 SYN，C 回 ACK。不满足确认应答
  • 为什么不想四次？
    能少尽量少，因为 S 回 ACK 和 S 发 SYN 肯定是同时的，所以合并了
• 建立连接的目的是什么？
  • 为什么要有连接？
  • 什么是连接？
  • 建立连接主要是为了同步 ISN（初始序列号）
  • 为什么 ISN 序列号必须是随机的？如果 ISN 都是 0，是不是就不需要同步了？
    ISN 如果是确定的，可能会被伪造 segment 进行攻击

3.8.2 四次挥手