【javaEE】网络原理（传输层Part3）

努力经营当下，直至未来明朗！

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前言

一个人最大的痛苦来源于对自己无能的愤怒

Hi，这里还是不想秃头的宝贝儿！要努力不秃头啊！

本文主要介绍的是TCP提高效率的机制：延迟应答、捎带应答，以及TCP面向字节流的特性以及TCP的异常处理。

【回顾TCP】
① 确认应答：保证可靠传输的最核心机制
② 超时重传
③ 连接管理：三次握手（投石问路、发送能力和接收能力、协商参数）、四次挥手
④ 滑动窗口
⑤ 流量控制（通过接收方的处理能力/内核剩余接收缓冲区 来对发送方作出限制）
⑥ 拥塞控制（中间节点）

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TCP相关机制

7. 延迟应答

【延迟应答】：提高传输效率的机制

1. 延迟应答 是基于流量控制来引入的提高效率的机制
2. 延迟应答：返回ACK的时间稍微晚一点，不是立即返回，此时应用程序就会有时间来消费内核接收缓冲区中的数据，使得接下来ACK返回的窗口略大于立即返回的窗口。
3. 实际TCP的延时时间不一定非用时间来衡量，也可能是传输轮次来衡量。

8. 捎带应答

1. 捎带应答是基于延迟应答的基础上引入的
2. 网络通信中，典型的通信模型是一发一收。
3. TCP中，只要把数据传输过去，对方收到后就会立即由内核返回一个ACK确认报文；而响应数据则是由应用程序负责传输的。所以，返回ACK和响应这两个操作是不同的时机传输的，就不能够把两次传输合并起来；但是延迟应答就会让ACK延迟返回，会稍微等一会儿，而在等待之后业务如果刚好也要返回响应，此时就可以把ACK与响应两个报文合二为一了（是由内核处理的，应用程序处理的响应也要经过内核，即：应用程序是调用socket的write方法把数据交给内核，内核进行封装，然后发送）。
4. 补充：SYN-同步报文段； FIN-结束报文段； ACK-确认报文段

TCP补充

【面向字节流】

1. 面向字节流中存在一个典型问题：“粘包问题”
2. TCP或者其他面向字节流的传输方式都是有一个接收缓冲区的。由于是面向字节流的，所以接收方无法确定从哪开始从哪结束是一个完整的数据报。
3. 要想解决粘包问题就在应用层协议这里进行区分：只要在定义应用层数据协议的时候，明确包和包之间的“边界”就可以了。
4. 典型的办法有两种：
   ① 通过分隔符：比如约定使用;作为包的结束标记
   ② 通过指定包的长度：比如在数据报的开头位置声明长度
5. 缓冲区的作用就是为了提高效率，减少访问I/O的开销
6. UDP发送的时候也是有缓冲区的，但是不能够向TCP那样进行手动刷新（所以之前其实一直说的是UDP没有发送缓冲区，只有接收缓冲区）；接收的时候是有缓冲区的。
7. 具体代码中如何确定分隔符？（简单了解就行，没时间直接跳过）

在自定义应用层协议中有几个典型的实现：
①XML：分隔符就相当于结束标签
②JSON：分隔符就相当于}
③Protobuffer：里面通过申明长度的方式来确定边界
④HTTP：分隔符和长度两个都会用到

【TCP中的异常处理】

1. TCP中的连接如果出现异常，怎么办？
   1）程序崩溃
   ① 相当于进程的异常退出。而程序退出（正常or异常）之后操作系统就会回收进程的资源，包括释放文件描述符表，这样的释放操作就相当于调用了对应socket的close；执行close就会触发FIN报文，进一步开始四次挥手。
   ② 所以该情况与普通的四次挥手没啥区别。

2）正常关机（通过开始菜单这种方式来关闭主机）
关机的时候系统会先强制结束所有的用户进程，和上述的进程崩溃类似，系统内核会进行文件描述符表的释放操作，从而进一步进行四次挥手。

3）断电关机（主机掉电）
非常突然，猝不及防。
① 掉电的是接收方，发送方并不知道对面已经挂了，会继续发送数据。
但是此时发送的数据就没有ACK返回，发送方就会触发超时重传；重传了几次之后仍然没有应答，此时就会尝试重置连接（通过复位报文段），但是也会失败；此时就会直接放弃连接。
【复位报文段其实就是TCP报头中特殊标志位中的RST，为1就是有效的】
（补充：特殊标志位中：PSH：向对方所要数据，希望对方给个回应； URG：跟紧急指针相关）
② 掉电的是发送方，此时接收方就只能等着。
但是接收方也不是干等，等了一段时间之后就会发送一个“心跳包”，心跳包是周期性触发的，只是一个简单的不携带任何业务数据的包，存在的意义就是确认一下对方是否还在。
如果对方不返回心跳包，说明此时对方已经挂了。

4）网线断开
情况同主机掉电类似，只不过通信双方的主机都正常，这两端各自按照上述两种情况分别进行。

另（含面试题）

1. 【TCP和UDP之间各自的应用场景对比】：
   ① TCP使用在有可靠性要求的场景中，使用TCP是非常广泛的。
   ② UDP用在对于可靠性要求不高，但是对于传输效率要求比较高的场景中。如机房内部的内网传输：【不容易丢包：带宽比较充裕，且网络结构相对简单】+【传输效率要求也比较高】

2. 注：传输层并不是只有TCP和UDP两个协议的，还有其他协议：
   像平时玩的LOL等实时性要求较高的游戏，一般既需要保证可靠性又需要保证效率，所以此时就可以使用KCP（但是不详细介绍）
   3.【常见面试题】——经典
   如何使用UDP来实现可靠传输？
   （主要考查的其实是TCP）
   其实就是基于UDP在应用层来实现确认应答、超时重传、引入序列号、滑动窗口（会确认都收到才滑到下一个）等等。（自己补充完善）

TCP小结

1. 为什么TCP这么复杂？因为要保证可靠性，同时又尽可能的提高性能。
   1）可靠性：

校验和 、序列号（按序到达）、 确认应答、 超时重传、 连接管理（三次握手、四次挥手）、 流量控制、 拥塞控制。

2）提高性能：

滑动窗口 、快速重传 、延迟应答 、捎带应答

3）其他：

定时器（超时重传定时器，保活定时器，TIME_WAIT定时器等）

2. 基于TCP应用层协议

HTTP、 HTTPS、 SSH 、Telnet 、FTP、 SMTP
当然，也包括你自己写TCP程序时自定义的应用层协议

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THINK

1. TCP提高传输效率：延迟应答、捎带应答
2. 面向字节流的“粘包问题”：分隔符、包长度
3. TCP异常处理：程序崩溃、正常关机、主机掉电、网线断开
   4.== 面试题：如何使用UDP来实现可靠传输？==【确认应答、超时重传、滑动窗口、引入序列号等】（不能使用流量和拥塞控制，因为是UDP是直接进行all发送的）