一 、基础
1.1 概述
- 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
- .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)
- 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。
- 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。
- 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。
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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？
- 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）。
- 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)
- TCP，IP这是网络分层中具体的协议。
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。
3.3 网络传输层的TCP协议详解
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。
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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- (2)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
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。
2.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。
3.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)
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。
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:
- 客户端已经连接服务端，尚未发送数据，read阻塞
- 新的客户端无法正常连接
解决办法:
- 线程解决（mysql客户端连接服务器）
- 线程池解决（线程池泄露）
- NIO解决
- 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)
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
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)
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。
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 selectionKeys = selector.selectedKeys();
//遍历集合
Iterator 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();
}
}
}
}
}