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七层协议和TCP/IP协议、三次握手四次挥手、BIO、NIO(Netty前置)

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2天前

一 基础

1.1 概述

1 网络分层中的IOS七层模型、TCP/IP协议族、TCP、IP,这些有什么不同
2 TCP协议通信过程中的三次握手和四次挥手到底是什么流程?

1.2 软件架构

在生活中,我们经常用QQ、微信、百度云盘、Goole、IE浏览器、火狐浏览器......。可以总结为两大类,c/s(客户端/服务端)和b/s(浏览器/服务器)结构。这两种架构是两台计算机通过某中协议来网络中进行通信。

1.3 基本概念(通信协议/ip/端口)

  1. 通信协议

就是定义了在网络中计算机之间进行通信的一种规则。因为电脑是由许许多多加的厂商来做的,如果传出的数据格式不一样、传输数据格式、解析数据的格式不一样,就没法实现所有电脑通信。

  1. ip

在整个网络中,电脑的唯一标识。ip分为IPV4和IPV6,ipv4占用4个字节,ipv6占用16个字节。目前使用较多的还是ipv4。

  1. 端口

在计算机中,进程的唯一标识。端口号是用两个字节表示,取值范围为0-65535,0-1023基本为系统端口,我们写的程序端口号应在1024以上。

二 计算机通信分层

2.1 七成模型、TCP/IP协议族、TCP、IP这些是不是同一个东西?

1 ISO国际标准话组织在研究网络通信,建立了OSI模型(开放系统互联参考模型)。即为标准的7层架构。(理论上分层模型)
2 TCP/IP协议族,最早由美国国防部的ARPA网项目,也被DoD模型。(实践过程中的模型)
3 TCP,IP这是网络分层中具体的协议。

2.2 访问淘宝经历了网络流程

1 我们在浏览器输入淘宝的网址。
2 (本机)浏览器将请求发送,应用层-》传输层-》网络层-》数据链路层
3 (网络传输过程)-》到路由器-》交换机
4 (淘宝服务器)-》到达淘宝服务器-》链路层-》网络层-》传输层-》应用层,获取数据
5 (响应数据)-》然后再原路返回。

三 网络传输层解析

3.1 Socket是什么?

Socket是位于应用层和传输层的一个抽象层。提供了一套接口来调用TCP/IP协议的API。

3.2 Socket通信流程

3.3 网络传输层的TCP协议详解

  1. 概述

TCP是Transmission COntrol Protocol的简称,中文名也叫做传输控制协议。它具有的特性如下。
a 数据传输前必须要建立连接,数据传输完,必须释放连接。
b 传输的数据无差错,不丢失,不重复,且顺序和源数据一致。
c 在传输的过程中,数据拆分为不同的段,也就是segment。
d 效率低,因为是面向连接的协议,通信之前必须要建立连接。

  1. TCP首部进行详解

源端口和目的端口:数据从哪个进程来到哪个进程去。

序号和确认号:TCP可靠传输的关键部分。序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在TCP传输流中,每个字节一个序号。

URG:表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。URG=1,表示有紧急数据。后面的紧急指针字段 只有当URG=1时才有效。

ACK:表示是否前面的确认号字段是否有效。ACK=1,表示有效。只有当ACK=1时,前面的确认号字段才 有效。TCP规定,连接建立后,ACK必须为1。

PSH:告诉对方收到该报文段后是否应该立即把数据推送给上层。如果为1,则表示对方应当立即把数据 提交给上层,而不是缓存起来。

RST:只有当RST=1时才有用。如果你收到一个RST=1的报文,说明你与主机的连接出现了严重错误(如 主机崩溃),必须释放连接,然后再重新建立连接。或者说明你上次发送给主机的数据有问题,主机拒绝 响应。

SYN:在建立连接时使用,用来同步序号。当SYN=1,ACK=0时,表示这是一个请求建立连接的报文段; 当SYN=1,ACK=1时,表示对方同意建立连接。SYN=1,说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的 报文。只有在前两次握手中SYN才置为1。

FIN:标记数据是否发送完毕。如果FIN=1,就相当于告诉对方:“我的数据已经发送完毕,你可以释放 连接了。

窗口:滑动窗口大小,用来告知发送端接受端的缓存大小,以此控制发送端发送数据的速率,从而 达到流量控制。

选项和填充:最常见的可选字段是最长报文大小,又称为MSS(Maximum Segment Size),每个连接 方通常都在通信的第一个报文段(为建立连接而设置SYN标志为1的那个段)中指明这个选项,它表示本 端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍,所以要加填充位,即在这个字段中 加入额外的零,以保证TCP头是32的整数倍

数据部分: TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时,双方交换的报文段 仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送,也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时 的许多情况中,也会发送不带任何数据的报文段。

四 TCP断开和连接的原理刨析(三次握手和四次挥手)

4.1 数据在传递过程中,字段解释

SYN(synchronous建立连接) 请求建立连接,并在其序列号字段进行序列号的初始值设定。建立连接,设置为1。
ACK(acknowledgement 确认) 确认号是否有效,一般置为1
PSH(push传送) 提示接受端应用程序立即从TCP缓冲区把数据读走。
FIN(finish结束) 希望断开连接。
RST(reset重置) 对方要求重新建立连接,复位。
URG(urgent紧急) 紧急指针是否有效。为2,表示某一位被优先处理。

4.2 BIO

4.2.1 BIO代码实现

//服务端代码
public class ServerSocket {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建ServerSocket对象,用于客户端的连接
        java.net.ServerSocket serverSocket = new java.net.ServerSocket(8989);
        //定义输入流对象读取数据
        byte[] bytes = new byte[1024];
        try {

            while (true) {
                System.out.println("服务端发生阻塞,等待连接....");
                //调用accept方法监听客户端,阻塞方法
                Socket accept = serverSocket.accept();
                //调用Socket对象的方法获取输入流对象
                InputStream inputStream = ((Socket) accept).getInputStream();
                System.out.println("服务端发生阻塞,等待接收数据....");
                int read = inputStream.read(bytes);
                System.out.println(new String(bytes, 0, read));
                //关闭资源
                accept.close();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (serverSocket != null && !serverSocket.isClosed()) {
                serverSocket.close();
            }
        }
    }
}

//客户端代码
public class ClientSocket {
    public static void main(String[] args) throws  Exception {
        //创建Socket对象,与服务端Socket建立连接
        Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8989);
        //获取输出流对象
        OutputStream  outputStream=socket.getOutputStream();
        System.out.println("客户端阻塞,接收键盘输入....");
        //接收键盘输入,模拟延迟消息发送
        Scanner scanner=new Scanner(System.in);
        String  scannerString=scanner.next();
        outputStream.write(scannerString.getBytes());
        System.out.println("客户端录入完成....");
	     //使用输出流对象写入数据
//        outputStream.write("itheima-TCP".getBytes());
         //释放资源
        socket.close();

    }
}
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4.2.2 BIO中API讲解

  1. Socket

a 构造方法

Socket():无参构造方法。
Socket(InetAddress address,int port):创建一个流套接字并将其连接到指定 IP 地址的指定端口。
Socket(InetAddress address,int port,InetAddress localAddr,int localPort):创建一个套接字并将其连接到指定远程地址上的指定远程端口。
Socket(String host,int port):创建一个流套接字并将其连接到指定主机上的指定端口。
Socket(String host,int port,InetAddress localAddr,int localPort):创建一个套接字并将其连接到指定远程地址上的指定远程端口。Socket 会通过调用 bind() 函数来绑定提供的本地地址及端口。
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b 普通方法

void bind(SocketAddress bindpoint):将套接字绑定到本地地址。
void close():关闭此套接字。
void connect(SocketAddress endpoint):将此套接字连接到服务器。
InetAddress getInetAddress():返回套接字的连接地址。
InetAddress getLocalAddress():获取套接字绑定的本地地址。
InputStream getInputStream():返回此套接字的输入流。
OutputStream getOutputStream():返回此套接字的输出流。
SocketAddress getLocalSocketAddress():返回此套接字绑定的端点地址,如果尚未绑定则返回null。
SocketAddress getRemoteSocketAddress():返回此套接字的连接的端点地址,如果尚未连接则返回 null。
int getLoacalPort():返回此套接字绑定的本地端口。
intgetPort():返回此套接字连接的远程端口
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  1. WebSocket

a 构造方法

ServerSocket():无参构造方法。
ServerSocket(int port):创建绑定到特定端口的服务器套接字。
ServerSocket(int port,int backlog):使用指定的 backlog 创建服务器套接字并将其绑定到指定的本地端口。
ServerSocket(int port,int backlog,InetAddress bindAddr):使用指定的端口、监听 backlog 和要绑定到本地的 IP 地址创建服务器
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b 普通方法

Server accept():监听并接收到此套接字的连接。
void bind(SocketAddress endpoint):将 ServerSocket 绑定到指定地址(IP 地址和端口号)。
void close():关闭此套接字。
InetAddress getInetAddress():返回此服务器套接字的本地地址。
int getLocalPort():返回此套接字监听的端口。
SocketAddress getLocalSoclcetAddress():返回此套接字绑定的端口的地址,如果尚未绑定则返回 null。
int getReceiveBufferSize():获取此 ServerSocket 的 SO_RCVBUF 选项的值,该值是从ServerSocket 接收的套接字的建议缓冲区大小。


accept()方法会返回一个和客户端Socket对象相连的Socket对象。使用Socket的getOutputStream可以向客户端发送信息。使getIutputStreamke可以获取客户端传过来数据。
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4.3 TCP协议中,建立连接三次握手

  1. 简述

在tcp协议中,双方建立连接的时候是需要三次握手。这个连接建立需要一方主动打开,另外一方被动打开的。下图为建立连接图解。

  1. 网络请求建立连接,经历三次握手流程

a 第一次握手 在第一次"握手"时,客户端向服务端发送SYN标志位,目的是与服务端建立连接。Seq代表sequence,number(发送数据流序号), 例如:Seq的值是5,说明在数据流中曾经一共发送了 1, 2, 3,4 这4次数据。而在本次"握手"中, Seq的值是0,代表客户端曾经没有给服务端发送数据。另外Len=0也可以看出来是没有数据可供发送的,客户端仅仅发送一个SYN标志位到服端代表要进行连接。

b 第二次握手 第二次"握手"时,服务端向客户端发送 SYN ACK 标志位,其中ACK标志位表示是对收到的数据包的确认,说明服务端接收到了客户端的连接。ACK的值是1,表示服务端期待下一次从客户端发送数据流的序列号是1,而Seq=0代表服务端曾经并没有给客户端发送数据,而本次也没有发送数据,因为Len=0也证明了这一点。

c 第三次握手 第三次“握手”时,客户端向服务端发送的ACK标志位为1, Seq的值是1。Seq=l代表这正是服务端所期望的Ack=1。Len=0说明客户端这次还是没有向服务端传递数据,而客户端向服务端发送ACK 标志位为1的信息,说明客户端期待服务端下一次传送的Seq的值是1。

  1. 为什么要进行三次握手

为了防止服务器端开启一些无用的连接,增加服务器开销。以及防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端,因而产生错误。

4.4 TCP协议中,连接断开时候(四次挥手)

  1. 四次挥手

即TCP连接的释放(解除)。连接的释放必须是一方主动释放,另一方被动释放。以下为客户端主动发起释放连接的图解:
简述流程
a 客户端到服务端,我要关了。
b 服务端到客户端,好的,我收到了。
c 服务端到客户端,我也关了。
d 客户端到服务端,好的,收到。

  1. 四次挥手执行流程

a 第一次挥手 在第一次"挥手"时,客户端到服务器发送标志位FIN ACK,告知服务端客户端关闭了。Seq=1表示本次数据流的序号为1,Ack=1表示客户端期望服务端下一次发送的数据流的序号为1。len=0,说明没有数据传输到服务端。

b 第二次挥手 在第二次"挥手"时,服务端向客户端发送标志位ACK,Seq=1代表的正是客户端想看的Ack=1。Ack=2表示服务端期望下一次客户端发送的数据流的序号为2。len=0,说明没有数据传输到客户端。

c 第三次挥手 在第三次"挥手"时,服务端向客户端发送标志位FIN ACK,告知客户端服务端关闭了。Seq=1代表的正是客户端想看的Ack=1。Ack=2表示服务端期望下一次客户端发送的数据流的序号为2。len=0,说明没有数据传输到客户端。

d 第四次挥手 在第四次"挥手"时,客户端向服务端发送标志位ACK,告知服务端客户端已经收到服务端关闭信息。Seq=2 代表的正是服务端想看的Ack=2,ACK=2表示客户端期望下一次服务端发送的数据流的序号为2。

注意 BIO存在问题
1、客户端已经连接服务端,尚未发送数据,read阻塞
2、新的客户端无法正常连接
解决办法
1、线程解决(mysql客户端连接服务器)
2、线程池解决(线程池泄露)
3、NIO解决
4、websocket

五 NIO编程

5.1 概述

NIO又称为非阻塞IO,是JDK1.4提出的新的IO模型

5.2 组件详细介绍

5.2.1 Buffer(缓冲区)

  1. 概述

按照物理区分为:直接缓冲区和堆字节缓冲区。
Buffer模式:写模式和读模式

  1. 缓冲区执行原理

a 三个属性(Buffer的三个属性)
capacity(容量)、position(位置)、limit(限制)

b 写模式

capacity:数组中可以存储元素的个数
position:下一次可插入元素位置,默认值为0,每添加一个元素都向后移动一位,最大值:capacity - 1
limit:在写的模式下,limit表示第一个不可写的位置(默认第一个不可写的位置,应该是数组容量值得下一个位置,即默认值为capacity)

c 读模式
capacity:数组中可以存储元素的格数。
position:Buffer由写模式变化为读模式,position会从置0,在进行读取数据时,position向前移动到下一个可读的位置。
limit:第一个不可读位置,当写模式切换到读模式,limit设置写模式下的position值。即能读到之气那所有写入的数据。

5.2.2 Channnl(通道)

1 概述 类似于流进行数据传输,但是和流不同。流是单向的,大部分功能比较单一,要么进行读要么进行写。 通道的使用必须要结合Buffer。

5.2.3 Selector(选择器)

  1. 概述

每一个通道都存在一个线程对其处理。在高并发情况下,就会存在很多通道,就会创建很多线程对象,造成内存占用率升高,增加cpu在多个线程之间切换的时间。因此不使用高并发场景下。

  1. NIO使用通道的改良

我一个线程处理多个任务通道的任务的机制,在NIO中成为多路复用。使用后IO复用后,只需一个线程能对多个通道进行处理,对于高并发的业务场景有优势。补充如下:
线程数随着通道多少进行动态的增减来进行适配。多路复用的核心目的使用最少的线程数去操作更多的通道。创建线程的个数根据通道个数来决定。每注册1023个通道就创建一个线程

5.2.4 NIO实例

public class SocketNioServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //定义通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        //绑定地址
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
        //设置为非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //开启一个选择器
        Selector selector = Selector.open();
        //注册
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) {
            System.out.println("等待连接,阻塞中.....");
            int count = selector.select();
            if (count != 0) {
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                //遍历集合
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                    //客户端已经连接,尚未发送数据
                    if (selectionKey.isAcceptable()) {
                        System.out.println("客户端已经连接,尚未发送数据....");
                        //获取通道
                        ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                        SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
                        //设置非阻塞
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        //注册到选择器
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    }
                    //任务就绪
                    else if (selectionKey.isReadable()) {
                        System.out.println("客户端成功发送数据");
                        //获取通道
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                        //读取信息
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        int read = socketChannel.read(buffer);
                        while (read > 0) {
                            //切换缓冲区的模式
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, read));
                            //清除缓冲区
                            buffer.clear();
                            read = socketChannel.read(buffer);
                        }
                        socketChannel.close();//释放资源
                    }
                    iterator.remove();
                }
            }
        }
    }
}
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