[Linux#66][TCP-＞IP] 面向字节流 | TCP异常 | filesocket

1. 面向字节流

思考：对于UDP协议来说，是否也存在“粘包问题”呢？

2.TCP 异常情况

3.知识

1.UDP实现可靠传输(经典面试题)

2. 网络抓包 | 爬虫

3.打通文件和 socket 的关系

4.网络层：IP

前置知识

1. 面向字节流

udp 是面向数据报的
文件和 tcp 都是面向字节流的

面向字节流：发什么就按照序号收什么，放在缓冲区，用户层决定一次读取多少
udp 发一个，上层就读一个数据报
用户层才有报文的概念，对报文进行处理必须一个一个的处理！将字节流变成一个一个完成的请求

引出了数据包粘包问题：

解决思想：明确报文和报文之间的边界

方法：由应用层来解决粘包问题

定长报文
特殊符号隔开
自描述字段(如前面网络版本计数器报头中放着有效载荷长度，我们以\r\n作为间隔把有效载荷长度读到，然后根据有效载荷长度拿到有效载荷)

解释：

对于定长的包, 保证每次都按固定大小读取即可; 如Request结构, 是固定大小的, 那么就从缓冲区从头开始按sizeof(Request)依次读取即可;
对于变长的包, 可以在包头的位置, 约定一个包总长度的字段, 从而就知道了包的结束位置;
对于变长的包, 还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议, 是程序猿自己来定的, 只要保证分隔符不和正文冲突即可)

思考：对于UDP协议来说，是否也存在“粘包问题”呢？

答：不存在

UDP的数据边界：

UDP报头中包含报文长度字段。
每个UDP报文独立地被交付给应用层，具有明确的数据边界。
从应用层角度来看，使用UDP时要么收到完整的报文，要么不收，不会出现“半个或多个”报文的情况。

TCP与有效载荷长度：

TCP是面向字节流的协议，其报头仅包含首部长度而没有有效载荷长度字段。
TCP通过序号来表征数据起始位置，并利用校验和保证报文完整性。
收到TCP报文后，TCP将报头和有效载荷分离，把数据放入缓冲区形成连续的字节流。
TCP不需要区分每个报文的边界，这些由上层应用程序自行处理。

总结：

UDP：不存在“粘包问题”，因为每个报文都是独立的且有明确边界。
TCP：由于其字节流特性及缺乏有效载荷长度字段，依赖于序号和校验和来管理数据传输，并不负责维护报文边界。报文边界需要应用层处理，例如 http 协议~

2.TCP 异常情况

进程终止

连接本身是和文件相关的，文件的生命周期是随进程的
进程终止：进行正常的四次挥手，连接正常自动断开

机器重启

先要杀掉所有的进程
再四次挥手。然后OS在慢慢关机在重启

机器断电/网线断开

客户端马上就识别到网络发生变化了，但没有机会在和服务器进行四次挥手了，但服务器为连接还在, 一旦服务器有写入操作, 服务器发现连接已经不在了, 就会进行reset.
TCP自己也内置了一个保活定时器, 会定期询问对方是否还在. 如果对方不在, 也会把连接释放. 关电源也是一样。

3.知识

1.UDP实现可靠传输(经典面试题)

参考TCP的可靠性机制, 在应用层实现类似的逻辑;
例如:

引入序列号, 保证数据顺序;
引入确认应答, 确保对端收到了数据;
引入超时重传, 如果隔一段时间没有应答, 就重发数据;
…

如果场景要求非常高，就直接使用 TCP

2. 网络抓包 | 爬虫

网络抓包（Network Packet Capture），指的是捕获在网络中传输的数据包的过程。这是网络监控、故障诊断、协议分析、网络安全审计等领域的常见做法。通过抓取并分析网络中的数据包，可以深入了解网络通信的细节，包括但不限于以下内容：

数据包内容：可以查看数据包中的具体信息，如源IP地址、目的IP地址、端口号、协议类型（如HTTP、HTTPS、TCP、UDP等）。
通信流程：分析数据包在通信过程中的时间顺序和流程，了解数据是如何在网络中流动的。
协议分析：对数据包中的应用层协议进行解码，理解应用程序之间的交互细节。
性能分析：通过捕获的数据包，可以分析网络延迟、丢包率等性能指标。
安全问题：检测网络攻击、异常流量、数据泄露等安全威胁。

网络抓包通常使用以下工具：

Wireshark：一款流行的网络协议分析工具，功能强大，支持多种协议的解析。
tcpdump：一个命令行式的数据包分析工具，常用于Linux系统中。
Microsoft Network Monitor：微软提供的一款网络监控工具，适用于Windows系统。
Charles：一个针对HTTP/HTTPS的代理抓包工具，常用于移动应用开发和调试。

进行网络抓包时，通常需要以下步骤：

选择工具：根据需要选择合适的抓包工具。
设置过滤器：根据监控目标设置过滤条件，如只捕获特定IP地址或端口号的数据包。
开始捕获：启动抓包工具开始捕获网络中的数据包。
分析数据：捕获完成后，分析数据包内容，查找问题所在或获取所需信息。
保存和分析结果：将捕获的数据包保存下来，以便后续进一步分析。
网络抓包是一项重要的技能，对于网络管理员、开发人员和网络安全分析师来说尤其如此。然而，需要注意的是，未经授权进行网络抓包可能会侵犯隐私，因此在实际操作时必须遵守相关法律法规和道德规范。

下载 wireshark

网络爬虫（Web Crawler），又称为网页蜘蛛（Web Spider）或网络机器人（Web Robot），是一种自动化程序，它按照一定的规则自动地浏览互联网上的网页，以搜集网页上的信息。网络爬虫通常用于以下目的：

搜索引擎：如谷歌（Google）、百度等搜索引擎使用网络爬虫来索引网页内容，以便用户搜索时能够快速找到相关信息。
数据挖掘：企业和研究人员可能使用网络爬虫来收集大量的网络数据，用于市场分析、社会研究或学术研究。
信息监控：监控特定网站或论坛的更新，比如新闻网站、股票市场信息等。

网络爬虫的工作原理通常包括以下几个步骤：

种子URLs：爬虫从一个或多个起始网页（种子URLs）开始工作。
抓取网页：爬虫访问这些网页，下载网页内容，通常是HTML格式。
解析内容：解析下载的网页内容，提取链接和需要的数据。
跟踪链接：从解析出的链接中选择下一批要访问的网页，并重复抓取和解析的过程。
存储数据：将提取的数据存储在数据库或文件中，供后续处理和分析。
去重和更新：在爬取过程中，爬虫会尽量避免重复访问相同的网页，并且会定期更新已抓取的网页内容。

网络爬虫需要遵守一些规则和协议，包括：

Robots协议（/robots.txt）：这是一个位于网站根目录下的文件，它告诉爬虫哪些页面或目录可以抓取，哪些不可以。
网站的使用条款：有些网站明确禁止或限制爬虫的活动，因此爬虫需要遵守这些条款。
法律法规：在某些国家和地区，网络爬虫的活动可能受到法律的限制，特别是在涉及个人隐私和数据保护方面。

网络爬虫可以是简单的脚本，也可以是复杂的系统，它们的设计和实现可以根据目标网站的结构、所需的抓取深度和广度、以及抓取数据的用途而有所不同。在使用网络爬虫时，应当尊重网站所有者的权利和用户的隐私，合理合法地使用爬取的数据。

3.打通文件和 socket 的关系

套接字的转化，就是 C 语言的多态

加深对于 传输层+网络层 的理解：

用特定数据结构表述的协议
和特定协议匹配的方法集

网络底层是：生产消费者模型

探究上图蓝色荧光笔标记的 wait：struct socket中wait_queue_head_t wait是什么？

在Linux内核中，struct socket 结构体用于表示一个套接字。这个结构体定义在网络子系统的头文件中，例如 <linux/net.h> 或者 <net/sock.h>。其中的 wait_queue_head_t wait 成员是一个等待队列头（wait queue head），它用来管理一组等待特定事件发生的进程。

具体来说，wait_queue_head_t 是一种数据结构，它允许内核将一个或多个进程放入等待状态，直到某个条件满足为止。当条件满足时，内核可以唤醒这些等待的进程，使它们继续执行。在套接字上下文中，wait 通常用于处理读写操作的阻塞情况。

读操作：当应用程序尝试从一个空的接收缓冲区读取数据时，如果没有数据可读，那么读操作会被阻塞。此时，调用进程会被加入到与 socket 相关的 wait 队列中。一旦有新的数据到达，内核会唤醒等待队列中的一个或多个进程。
写操作：如果发送缓冲区已满，写操作也会被阻塞。这时，调用进程同样会被放入 wait 队列。当有足够的空间可用时，内核会唤醒等待的进程。

wait_queue_head_t 的定义如下（简化版）：

typedef struct __wait_queue_head {
    spinlock_t lock;
    struct list_head task_list;
} __wait_queue_head_t;

#define wait_queue_head_t __wait_queue_head_t

这里：

spinlock_t lock 是自旋锁，用来保护等待队列。（和生产消费者模型联动起来了~）
struct list_head task_list 是一个双向链表，用来存储等待该事件的所有进程的任务结构 task_struct。

使用等待队列的基本步骤包括：

初始化等待队列头。
将进程添加到等待队列，并设置进程为睡眠状态。
当条件满足时，唤醒等待队列中的进程。

这种机制是Linux内核实现I/O多路复用和异步I/O的基础之一。通过这种方式，内核能够有效地管理对资源的并发访问，并且能够在资源变为可用时及时通知相关进程。之后的文章会再详细讲解~

struct sk_buff（socket buffer的简称）是Linux内核网络子系统中的一个核心数据结构，用于表示和处理网络数据包。它是一个非常重要的结构体，贯穿了整个网络协议栈的数据传输过程，从网络接口接收数据到将数据发送出去，以及在不同协议层之间的数据传递。
封装和解包：本质只要移动指针就可以（实现层和层之间的移动
一个进程的文件，一个缓冲区
传输层，网络层，数据链路层的解包操作都在接收缓冲区中操作，不需要繁琐的拷贝，只是指针移动

要在内核中重新创建大量的数据结构，所以说建立通信是有成本的
⭕ 用 C语言实现多态的场景：一切皆文件，进程间通信，网络 tcp/udp

4.网络层：IP

tcp究竟做了什么，ip 又扮演了什么角色？

一个故事：

张三老爹是教务处主任他要求张三每次数学考试都考100分，张三也很争气，10次数学考试8次都是100分，但是架不住意义可能考了95分。而张三老爹每次必须让张三数学考100分，那张三老爹怎么办呢？他决定之前考试作废，重新考试，如果张三还没有考到，那考试继续作废，直到张三考到100分。

刚才我们两个人，一个教务处主任(张三老爹)，张三(儿子)。考试的是张三，他也有能力考到100分，但并不一定每次都考到100。张三没考到没事他还有他老爹，他可以让他儿子继续考。

张三老爹：tcp 协议，提供可靠性
张三：IP ，真正办事的
IP 协议的本质：1. 定位主机 2.提供一种能力，将数据跨网络从 A 主机送到 B 主机
用户需要的是：可靠的送到的能力
老爹（tcp 可靠的策略）+张三（ip 传输的能力）

只有策略+能力一定能做到将数据从主机A可靠的跨网络送到主机B。

前面tcp学的超时重传、确认应答、流量控制等等全都是策略！具体怎么做有ip来执行！

前置知识

要对所有的主机进行的唯一标识
源 IP：源主机
目的 IP：目的主机

故事：

1.去目标城市 --> 2.去目标地点

IP=目标网络+目标主机
IP 设计原因：构建网络
路径选择中，目标IP还决定了我们的路径该如何走。
相当于是拿着目的 IP，主机——>进行路径选择路由器——>目标主机

这是一套精心设计过的网络体系！

一个故事

背景：

每个学校都有很多学院如计算机学院、理学院、化工学院、机械学院、电子信息工程学院等等，每个学生也都有自己的学号，这个学号其实是经过精心设置的。这里我们简化一下把学号分成学院号+自己所在院系内的编号。每个学院也都有自己的编号。
每一个学院都有自己院学生会主席并且他还是院群里面的群主，而且他也有属于自己的学号。并且这个学号在全校范围内唯一。每个院学生会主席都还要在加一个校学生会主席群。

事件：

今天电子信息工程学院的一名普通学生李四同学把自己学生证丢了，学生证上面其他信息都模糊看不清了，只有学号(101 00101)可以看得清。
然后计算机学院张三同学(学号：000 01001)在校园内捡到这个学生证。张三同学就想把学生证归还给该同学，但这个学生证只有学号看的请。可是张三除了自己院学生号清楚并不清楚其他院的学号。

方法：