网络体系结构 和网络原理之UDP和TCP

news2024/11/17 15:43:46

目录

网络分层 

一. 应用层 

http协议

二. 传输层

1. 介绍 

2.UDP协议

 (1)组成

(2)细节 

3.TCP协议 

(1)特性如下链接：

(2)组成 

(3)特点 

三. 网络层

四. 数据链路层

1.介绍

2.以太网协议

 3.mac地址和ip地址

五. 物理层

DNS

网络分层 

一. 应用层 

应用程序

现成的应用层协议有超文本协议http(不仅仅有文本）.

http协议

http://t.csdnimg.cn/e0e8kicon-default.png?t=N7T8http://t.csdnimg.cn/e0e8k

自定义应用层协议，包含需要传输的信息以及格式，将信息转为字符串放入TCP或者UDP的socket中。常见传输格式xml，最流行的是json，但json仍然有网络带宽的消耗，protobuffer是将信息压缩为二进制，带宽消耗较小。

DNS介绍在最下面

二. 传输层

1. 介绍 

关注起点和终点

主要有TCP和UDP :

TCP：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。适用于需要确保数据完整性和顺序的场景。eg:文件传输，状态更新。

UDP：无连接，不可靠传输，面向数据报，全双工，接收缓冲区。适用于高速传输和对实时性要求较高的应用。

传输层一个重要概念：端口号

固定占2个字节，

表示范围0~65535（2^16-1），

0一般不用，1~1023是知名端口号，如80是http的端口号22是ssh的端口号（登录远程主机）

2.UDP协议

 (1)组成

UDP的首部长度固定为8个字节（64位）64k。它由源端口号、目标端口号、长度和校验和组成。每个字段都占用2个字节。

  1. 源端口号（Source Port）：占用2个字节，表示发送方使用的端口号。
  2. 目标端口号（Destination Port）：占用2个字节，表示接收方使用的端口号。
  3. 长度（Length）：占用2个字节，表示UDP首部和数据的总长度，包括8字节的UDP首部和数据部分的长度。
  4. 校验和（Checksum）：占用2个字节，用于检测UDP首部和数据在传输过程中是否发生错误。

UDP的简洁首部长度是其相对于TCP更轻量级的一个特点，但也意味着它没有TCP那样的可靠性保证和流量控制机制。因此，在使用UDP时需要注意数据的可靠性和完整性问题，并根据具体应用场景决定是否需要额外的机制来处理这些问题。

(2)细节 

✅1.当udp数据报携带信息过大，导致服务器与客户端交互的数据量接近64kb，超过上限会导致数据阶段，数据出错，解决办法：

1.将数据拆分为多个包，使用多个UDP传输（✕）如何去拆包组包，开发测试成本大。

2.使用TCP，无包大小的限制（✓）

3.升级UDP，比较麻烦。（✕）UDP是在操作系统内核实现的.

✅2.网络传输中数据是有可能出错的，如何基于校验和来完成数据校验呢?


1.发送方,把要发送的数据整理好(称为 data1),通过一定的算法, 计算出校验和 checksum1发送方把 data1 和 checksum1 -起通过网络发送出去.
2.接收方收到数据,收到的数据称为 data2 (数据可能和 data1 就不一样了),收到数据 checksum1
3.接收方再根据 data2 重新计算校验和(按照相同的算法)，得到 checksum2
4.对比 checksum1 和 checksum2 是否相同.如果不同,则认为 data2 和 data1 一定不相同如 5.checksum1 和 checksum2 相, 则认为 data1 和 data2 大概率是相同的 理论上存在不同的可能性。

✅3.在UDP中使用循环冗余校验（CRC）：把需要进行校验和的数据的每个字节逐个累加，把结果保存在两个字节的变量中，累加过程溢出也没事。如果中间出现数据错误，第二次的校验和就和第一次不也一样。

更严谨的是md5，MD5进行了定长，分散（一个字节不同差异也很大），不可逆。MD5也适合作为hash算法（哈希表是把一个key通过hash函数转换为数组下标，hash函数尽量分散，哈希碰撞的可能从才能降低），

✅4.UDP特点：寄信

UDP进行网络通信可以通过java.net包下的DatagramSocket和DatagramPacket类来实现

无连接：知道对方ip和端口号即可连接，

不可靠：发送端发送数据报后，如果因为网络问题并没有到接收方，UDP协议也不会给应用层返回任何错误信息。  

全双工：可以通过一个socket进行send和reseive，既能读也能写，即全双工；

缓冲区：UDP只有接收缓冲区，没有发送缓冲区。

UDP发送的数据会直接发送给内核，由内核将数据传给网络层协议进行后续传输动作；UDP具有接收缓冲区，这个缓冲区不能保证受到道德UDP报的顺序与发送UDP报的顺序一致；缓冲区满，再到达的UDP报就会被 丢弃。

大小受限：UDP协议首部有一个16位的最大长度，2个字节，也就是UDP能传输的最大长度是64KB（包含UDP首部）

面向数据报：以DataGaramSocket为单位传输

DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, receiverAddress, receiverPort);

UDP是一种面向数据报的无连接协议，因此发送方和接收方之间不存在建立连接的过程，也没有可靠性保证。每个UDP数据报都是独立的，可能会丢失、重复或乱序。实际使用中可能需要考虑超时重传，分片传。

import java.net.DatagramSocket;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.InetAddress;

public class UDPExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建发送方的UDP socket
            DatagramSocket senderSocket = new DatagramSocket();

            // 准备要发送的数据
            String message = "Hello, UDP!";
            byte[] sendData = message.getBytes();
            InetAddress receiverAddress = InetAddress.getByName("127.0.0.1"); // 接收方的IP地址
            int receiverPort = 12345; // 接收方的端口号

            // 创建要发送的数据报文
            DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendData, sendData.length, receiverAddress, receiverPort);

            // 发送数据报文
            senderSocket.send(sendPacket);

            // 创建接收方的UDP socket
            DatagramSocket receiverSocket = new DatagramSocket(receiverPort);

            // 准备接收数据的缓冲区
            byte[] receiveData = new byte[1024];

            // 创建接收数据的数据报文
            DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(receiveData, receiveData.length);

            // 接收数据报文
            receiverSocket.receive(receivePacket);

            // 解析接收到的数据
            String receivedMessage = new String(receivePacket.getData());
            System.out.println("Received message: " + receivedMessage);

            // 关闭socket
            senderSocket.close();
            receiverSocket.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5.UDP无连接不可靠面向数据报的协议如果要基于传输层UDP协议来实现可靠传输应该如何设计？大小有限制，如果要基于传输层UDP协议，传输超过64k的数据，如何设计？

参考TCP可靠性的实现

5.2+5.1分片重组+序列化保证顺序；5.1确认应答；超时重传；滑动窗口控制流量，校验和.......

简单了解基于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

3.TCP协议 

(1)特性如下链接：

 http://t.csdnimg.cn/NHMHb

(2)组成 

 初心：可靠传输~

数据报=首部（报头）+载荷；一行4个字节

报头长度是不固定的，选项也是报头的一部分，TCP报头包括固定部分和可选部分。固定部分的长度是20个字节（160位），包括源端口号、目标端口号、序列号、确认号、数据偏移、控制位、窗口大小、校验和和紧急指针等字

报头最短是20个字节（没有选项），最长是60个字节（选项最多是40字节）；

保留位（6位)：有需要就用。比udp的64kb好。扩展余地。

TCP首部长度字段占用4个位（即4个二进制位也就是4个字节，32个比特位），它使用4位来表示长度。由于4位最多能表示16个不同的取值（从0000到1111），因此TCP首部长度字段的取值范围是0-15，表示TCP首部的长度是以32位（此处设定4字节，所以有4倍的设定关系）为单位的倍数。也就是说，长度值乘以4才得到TCP首部的实际长度。当TCP首部长度字段取值为5时，长度为5 * 4 = 20字节，即TCP首部固定部分的长度。

TCP协议的组成主要包括以下部分：

  1. 源端口号（Source Port）：占用2个字节，表示发送方使用的端口号。
  2. 目标端口号（Destination Port）：占用2个字节，表示接收方使用的端口号。
  3. 序列号（Sequence Number）：占用4个字节，表示本次传输的第一个字节的序列号。
  4. 确认号（Acknowledgment Number）：占用4个字节，表示期望接收到的下一个字节的序列号。
  5. 数据偏移（Data Offset）：占用4个位，表示TCP首部长度，单位为4字节，因此TCP首部长度最大值为60字节。
  6. 保留位（Reserved）：占用6个位，保留未来使用，必须设置为0。
  7. 控制位（Flags）：占用6个位，包含ACK、SYN、FIN等标志位，用于控制TCP连接的建立、维护和关闭。其中ack为1，表示它表示应答报文，ack为0表示普通报文。SYN为。
  8. 窗口大小（Window Size）：占用2个字节，表示接收窗口的缓冲区大小，用于流量控制。
  9. 检验和（Checksum）：占用2个字节，用于检测TCP首部和数据在传输过程中是否发生错误。
  10. 紧急指针（Urgent Pointer）：占用2个字节，表示紧急数据的位置，用于处理紧急数据。

(3)特点 

有连接

 Socket clientSocket = serverSocket.accept();
accept方法会阻塞当前线程直到有客户端连接请求到达并被接受
记得抛出异常防止网络故障类问题

可靠传输+面向字节流+全双工（既可以读也可以写）

 // 获取输入输出流
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);

💡TCP的可靠不在于它是否可以把数据100%传输过去，而是

  • 1.发送方发去数据后，可以知道接收方是否收到数据；
  • 2.如果接收方没收到，可以有补救手段；

三. 网络层

关注路径规划，很多路径到底如何走？

地址管理：制定一系列规则，通过地址，描述出网络中一个地址的位置。

路由选择：ip数据报在网络中的转发。

IP协议链接如下：http://t.csdnimg.cn/53Pts

四. 数据链路层

1.介绍

关注路径中节点的连接，相邻节点之间如何转发？

数据链路层的作用是在两个相邻节点之间提供可靠的数据传输服务，

2.以太网协议

（1）以太网协议就是一种常见的数据链路层协议（通过光纤，网线来通信使用的协议，以太网协议）。横跨数据链路层和物理层。

（2）组成：类型描述载荷数据是什莫类型；

MTU（Maximum Transmission Unit）：数据链路层数据包能携带的最大载荷长度。在以太网上传输的数据包大小不能超过1500个字节。会想起ip数据报的拆包组包，很可能是因为mtu而不是64kb的上限。不同的数据链路层协议的MTU是不一样的，也和物理层介质有关。

下面的两种

这里的6个字节目的地址（2^48）和源地址指的是mac地址。

.mac地址采用16进制表示，两个十六进制数字就是1个字节。（4个二进制位数字是一个字节表示0~15的数值）

 物理地址. . . . . . . . . . . . . : C4-75-AB-5C-9B-BB

在交换机中遇到 以太网数据帧 的时候，就需要进行转发，转发过程就需要根据mac地址判定数据从哪个网口转发。    转发表主要就通过arp协议生成 。

 3.mac地址和ip地址

ip协议立足于全局，关注整个网络通信过程的路径规划。

mac地址，以太网协议关注相邻两个设备之间的通信过程。

eg:我从西安到北京，源ip：西安，目的ip：北京；源mac:可能西安，目的mac:可能河北；

每次到达一个节点，源mac和目的mac都会改变

sum:

1. 网络拓扑结构：以太网规定了常见的拓扑结构，如总线型、星型、环型等，并规定了各种拓扑结构下的连接方式和限制条件。

2. 访问控制方式：以太网使用CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）协议来控制节点对共享媒体的访问，以避免碰撞和冲突。

3. 传输速率：以太网支持多种传输速率，如10Mbps、100Mbps、1Gbps等，其中10Mbps和100Mbps是最常见的。

4. 以太网帧格式：以太网规定了数据在网络上的传输格式，也就是以太网帧格式。它包含了目的MAC地址、源MAC地址、类型/长度字段和数据字段等。

5. MAC地址：MAC地址是一个48位的硬件地址，用于唯一标识网络上的每个设备。以太网使用MAC地址来进行帧的寻址和传输。

6. ARP协议：ARP（地址解析协议）用于将IP地址转换为MAC地址。当一个设备需要与另一个设备进行通信时，它需要知道目标设备的MAC地址，而ARP协议就是用来解决这个问题的。

7. MTU：MTU（最大传输单元）指的是数据链路层能够承载的最大数据包大小。以太网规定了不同传输速率下的MTU大小，例如在10Mbps上，MTU为1500字节。

五. 物理层

关注设备

DNS

DNS是应用层协议，也是一套域名解析系统。它使得域名能够被解析为对应的IP地址，并提供了其他与域名相关的信息，比如 www.baidu.com，baidu就是域名，可以把域名和ip地址想象成键值对结构。

最早的域名解析系统就是hosts文件：这些都需要手写来维护

于是出现专属dns服务器，给dns服务器发起请求，查询当前域名对应IP，然后再访问目标网站。但是这样会面临高并发的情况。面对高并发，我们有开源节流方案：

节流：减少请求量，让每个上网的设备搞本地缓存

开源：号召网络运营商搞更多的DNS镜像服务器；用户就可以访问离自己最近的镜像        DNS服务器。

ipv6的DNS与ipv4截然不同。ipv6升级有意义！

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