【JavaEE网络】TCP/IP协议：细节与应用

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TCP/IP协议

协议格式

应用层（后端开发必知必会）：这一层也有很多现成的协议（后面还会重点介绍HTTP协议，这是做网站必备的）也有很多时候，是需要程序员自己定义协议的

客户端，需要给服务器发起一个请求，服务器收到请求之后，就给客户端返回一个响应

以下以外卖软件举例

客户端和服务器之间的沟通有很多种形式，因此需要在开发设计这个程序的时候，就需要提前做好良好的规划。这里的设计是非常灵活的，最主要的是要有一个固定的标准

举例：

做出如下设计：

1. 明确当前请求和响应中包含哪些信息（根据需求来的）

请求：用户身份，用户当前位置…

响应：商家的名称，图片，好评率，距离你的位置，评分…

2. 明确具体的请求和响应的格式

请求：

示例1：

请求：1234，80，100\n

所谓的“明确格式”就是看你按照啥样的方式，构造出一个字符串后续这个字符串就可以作为 tcp 或者 udp 的 payload 进行传输

另一方面服务器就可以对这个字符串进行解析，解析出 逗号 前面的是userld，逗号后面的是经度纬度

响应：

魏家凉皮，1.jpg，98%，1km，4.7\n

杨国福，2.jpg，99%，1.2km，4.8\n

\n

这个时候就构造出了一个响应这样的字符串，客户端就可以按照这样的格式来进行解析了

实际上，上述这样的格式约定，咋搞都行。任意进行约定的，只要保证，客户端和服务器遵守同一个约定即可

实例2：

实际上，以上的格式约定，咋样都行，任意进行约定的，只要保证，客户端和服务器遵守同一个约定即可。请求和响应的具体的数据组织形式，是非常灵活的。只要程序员想都行，只要客户端和服务器使用的是相同的规则即可

自定义协议：

1. 明确传递的信息是有啥
2. 约定好信息按照啥样的格式组织成（二进制）字符串

介绍几个通用重要的协议格式：

1. xml

是以成对的标签，来表示“键值对”信息，同时标签支持嵌套，就可以构成一些更复杂的树形结构数据

//请求
<request>
	<userld>1234<userld>

	<position>100 80position>
<request>

//响应
<response>
	<shops>
		<shop>
			<name>魏家原皮name>
			<image>1.jpgimage>
			<distance>1kmdistance>
			<rate>96%<rate
			>4.7star>
		shop>
		<shop>
			<name>杨国福麻辣烫《name>
			<image>2.jpgimage>
			<distance>1kmdistance>
			<rate>96%<rate>
			<star>4.7star>
		shop>
	<shops>
<response>
1
2
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优点：xml非常清晰的把结构化数据表示出来了

缺点：表示数据需要引入大量的标签，看起来繁琐，同时也会占用不少的网络带宽（国内最贵的硬件资源，就是网络带宽）

xml越来越少了，有一些新的单体xml

2. json（最流行的一种数据组织格式）

本质上也是键值对，看起来，比xml格式要干净不少

请求：
{
    userld:1234
	position: "10080"
}

响应：
[
    {
		name:魏家凉皮
		image:1.jpg
		distance:"1km
		rate:96%
		star:4.7
    },
    {
		name:杨国福琳辣烫
		image:2.jpg,
		distance:1km
		rate:96%
		star:4.7
    }
]
1
2
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4
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**优势：**相比于xml，表示的数据简洁很多，可读性非常好，方便程序员观察中间结果，为方便调试问题

**劣势：**终究是要花费一定的带宽来传输key的名字

当前最主流使用的一种网络传输数据的格式，未来在实际开发中会经常用到json格式的数据。

json对于换行并不敏感，如果这些内容全放在同一行，也是完全合法的

一般网络传输的时候，会对json进行压缩（去掉不必要的换行和空格），同时把所有数据放到一行去，整体占用的带宽就更降低了（影响到可读性）

也有很多现成的json格式化工具

3. protobuffer（主要用于对于性能要求更高的场景）

谷歌提出的一套二进制的数据序列化方式。使用二进制的方式，约定某几个字节，表示哪个属性，最大程度的节省空间（不必传输key，根据位置和长度，区分每个属性的）

优点：节省带宽，最大化效率

缺点：二进制数据，无法肉眼直接观察，不方便调试，使用起来比较复杂

4. 除了以上三种，还有很多序列化方式的。

学习一个协议，当然要掌握协议的特性，还需要理解报文格式

传输层重点协议

负责数据能够从发送端传输接收端。

UDP协议

UDP协议端格式

• 16位UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度；
• 如果校验和出错，就会直接丢弃；

其实这图不算准确，是为了排版方便做的妥协，以下才是整个UDP数据报图文结构

网络传输的过程中，收到外界干扰，数据可能出错。本质上是光信号/电信号/电磁波

UDP的校验和具体是咋实现的？使用了一种简单粗暴的CRC校验算法（循环冗余校验和）

1. 把UDP数据报中每个字节都依次进行累加
2. 把累加结果保存到2个字节的变量中，加着加着，可能就溢出了，但无所谓，所有字节都加一遍，最终就得到了校验和
3. 传输数据的时候，就把原始数据和校验和一起传递过去
4. 接收方收到数据时，同时也收到了发送端送过来的校验和（旧的校验和），接收方按照同样的方式再算一遍，得到新的校验和
5. 如果新的和旧的相同，就视为数据传输过程中是正确的，如果不同，就视为数据传输过程中数据出错了

UDP的特点

UDP传输的过程类似于寄信

1. 无连接

客户端在开始就直接send，服务器在开始就直接receive没有进行连接

2. 不可靠

3. 面向数据报

//客户端
DatagramPacket requestPacket=new DatagramPacket(request.getBytes(),request.getBytes().length,
        InetAddress.getByName(serverIp),serverPort);
1
2
3

//客户端
DatagramPacket responsePacket=new DatagramPacket(new byte[4096],4096);
1
2

都是packet

4. 全双工

//客户端
socket.send(requestPacket);
1
2

//客户端
socket.receive(responsePacket);
1
2

5. 缓冲区

6. 大小受限

TCP协议

TCP，即Transmission Control Protocol，传输控制协议。人如其名，要对数据的传输进行一个详细的控制。

TCP是一个最重要的协议，用的特别多（HTTP也是基于TCP）

TCP协议端格式

• 源/目的端口号：表示数据是从哪个进程来，到哪个进程去；

端口号属于哪一层中的概念？传输层

• 32位序号/32位确认号：后面详细讲；
• 4位TCP报头长度（除了数据光看头部的长度）：表示该TCP头部（TCP头部是变长的）有多少个32位bit（有多少个4字节），4位表示的范围是0~15，但单位是4字节；所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60（需要使用首部长度，来确认，报头到哪里就结束了，载荷数据从哪里开始）
• 6位标志位（每个1bit，表示非常重要的含义）:
  • URG：紧急指针是否有效
  • ACK：确认号是否有效
  • PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
  • RST：对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为复位报文段
  • SYN：请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为同步报文段
  • FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为结束报文段
• 16位窗口大小：后面再说
• 16位校验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有问题。此处的检验和不光包含TCP首部，也包含TCP数据部分。
• 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据；
• 40字节头部选项：暂时忽略；

TCP的特点

1. 有连接
2. 可靠传输（最核心的特性）
3. 面向字节流
4. 全双工
5. 缓冲区
6. 大小限制

可靠传输是内核实现的，写代码是感知不到的。

TCP对数据传输提供的管控机制，主要体现在两个方面：安全和效率。

这些机制和多线程的设计原则类似：保证数据传输安全的前提下，尽可能的提高传输效率。