【JavaEE】网络四层协议

应用层重点协议

⭐️ DNS

DNS，即Domain Name System，域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统。
TCP/IP中使用IP地址来确定网络上的一台主机，但是IP地址不方便记忆，且不能表达地址组织信息，于是人们发明了域名，并通过域名系统来映射域名和IP地址。

域名是一个字符串，如 www.baidu.com ， hr.nowcoder.com
域名系统为一个树形结构的系统，包含多个根节点。其中：

1. 根节点即为根域名服务器，最早IPv4的根域名服务器全球只有13台，IPv6在此基础上扩充了数量。
2. 子节点主要由各级DNS服务器，或DNS缓存构成。
   • DNS域名服务器，即提供域名转换为IP地址的服务器。
   • 浏览器、主机系统、路由器中都保存有DNS缓存。
   • Windows系统的DNS缓存在 C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts 文件中，
   • Mac/Linux系统的DNS缓存在 /etc/hosts 文件中。

网络通信发送数据时，如果使用目的主机的域名，需要先通过域名解析查找到对应的IP地址：

• 域名解析的过程，可以简单的理解为：发送端主机作为域名系统树形结构的一个子节点，通过域名信息，从下到上查找对应IP地址的过程。如果到根节点（根域名服务器）还找不到，即找不到该主机。
• 域名解析使用DNS协议来传输数据。DNS协议是应用层协议，基于传输层UDP或TCP协议来实现。

⭐️NAT

技术背景
之前我们讨论了，IPv4协议中，IP地址数量不充足的问题
NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能；

• NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
• 很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP；
• 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的；

NAT IP转换过程

• NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37；
• NAT路由器收到外部的数据时，又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10；
• 在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表；
• 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系；

⭐️ NAPT

那么问题来了，如果局域网内，有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？
这时候NAPT来解决这个问题了。使用IP+port来建立这个关联关系

这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成这个表项；在断开连接后，就会删除这个表项
NAT技术的缺陷
由于NAT依赖这个转换表，所以有诸多限制：

• 无法从NAT外部向内部服务器建立连接；
• 转换表的生成和销毁都需要额外开销；
• 通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开；

⭐️ HTTP/HTTPS

HTTP及HTTPS是应用层重点协议，后面学了web开发再补充。

传输层重点协议

负责数据能够从发送端传输接收端。

⭐️ TCP协议

TCP详解

⭐️ 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；

UDP的特点

UDP传输的过程类似于寄信。

无连接

知道对端的IP和端口号就直接进行传输，不需要建立连接；

不可靠

没有任何安全机制，发送端发送数据报以后，如果因为网络故障该段无法发到对方，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息；

面向数据报

应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，既不会拆分，也不会合并；
用UDP传输100个字节的数据：

如果发送端一次发送100个字节，那么接收端也必须一次接收100个字节；而不能循环接收10次，每次接收10个字节。

缓冲区

UDP只有接收缓冲区，没有发送缓冲区：

• UDP没有真正意义上的 发送缓冲区。发送的数据会直接交给内核，由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作；
• UDP具有接收缓冲区，但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送UDP报的顺序一致；如果缓冲区满了，再到达的UDP数据就会被丢弃；

UDP的socket既能读，也能写，这个概念叫做 全双工

大小受限

UDP协议首部中有一个16位的最大长度。也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K（包含UDP首部）。

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

当然，也包括你自己写UDP程序时自定义的应用层协议

扩展问题

这是一个经典面试题：

1. UDP本身是无连接，不可靠，面向数据报的协议，如果要基于传输层UDP协议，来实现一个可靠传输，应该如何设计？
2. UDP大小是受限的，如果要基于传输层UDP协议，传输超过64K的数据，应该如何设计？
   以上两个问题答案类似，都可以参考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；
• …

⭐️ TCP/UDP对比

我们说了TCP是可靠连接，那么是不是TCP一定就优于UDP呢？TCP和UDP之间的优点和缺点，不能简单绝对的进行比较

• TCP用于可靠传输的情况，应用于文件传输，重要状态更新等场景；
• UDP用于对高速传输和实时性要求较高的通信领域，例如，早期的QQ，视频传输等。另外UDP可以用于广播；

归根结底，TCP和UDP都是程序员的工具，什么时机用，具体怎么用，还是要根据具体的需求场景去判定。

网络层重点协议

在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

⭐️ IP协议

协议头格式如下：

• 4位版本号（version）：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
• 4位头部长度（header length）：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
• 8位服务类型（Type Of Service）：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。
• 16位总长度（total length）：IP数据报整体占多少个字节。
• 16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。
• 3位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为0，其他是1。类似于一个结束标记。
• 13位分片偏移（framegament offset）：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）。
• 8位生存时间（Time To Live，TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
• 8位协议：表示上层协议的类型。
• 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
• 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。
• 选项字段（不定长，最多40字节）：略。

数据链路层重点协议

⭐️ 认识以太网

“以太网” 不是一种具体的网络，而是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了
一些物理层的内容。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等；
例如以太网中的网线必须使用双绞线；传输速率有10M，100M，1000M等；
以太网是当前应用最广泛的局域网技术；和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN等；

以太网帧格式

以太网的帧格式如下所示：

• 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的；
• 帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
• 帧末尾是CRC校验码。

⭐️ 认识MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。

• 以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；
• 最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；
• 如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）；
• 不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

MTU对IP协议的影响

由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。

• 将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；
• 每个小包IP协议头的 16位标识（id） 都是相同的；
• 每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片，第3位来表示结束标记（当前是否是最后一个小包，是的话置为1，否则置为0）；
• 到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层；
• 一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数据；

MTU对UDP协议的影响

让我们回顾一下UDP协议：

• 一旦UDP携带的数据超过1472（1500 - 20（IP首部） - 8（UDP首部）），那么就会在网络层分成多个IP数据报。
• 这多个IP数据报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层重组失败。那么这就意味着，如果UDP数据报在网络层被分片，整个数据被丢失的概率就大大增加了。

MTU对于TCP协议的影响

让我们再回顾一下TCP协议：

• TCP的一个数据报也不能无限大，还是受制于MTU。TCP的单个数据报的最大消息长度，称为MSS（Max Segment Size）；
• TCP在建立连接的过程中，通信双方会进行MSS协商。
• 最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度（这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU）。
• 双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值。然后双方得知对方的MSS值之后，选择较小的作为最终MSS。
• MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中（kind=2）；

⭐️ ARP协议

需要强调，ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议；

ARP协议的作用

ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。

• 在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
• 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
• 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址；

ARP协议的工作流程

• 源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播）；
• 目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；
• 每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

总结

数据链路层

• 数据链路层的作用：两个设备（同一种数据链路节点）之间进行传递数据
• 以太网是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等；
• 以太网帧格式
• 理解mac地址
• 理解arp协议
• 理解MTU

网络层

• 网络层的作用：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。
• 理解IP地址，理解IP地址和MAC地址的区别。
• 理解IP协议格式。
• 了解网段划分方法
• 理解如何解决IP数目不足的问题，掌握网段划分的两种方案。理解私有IP和公网IP
• 理解网络层的IP地址路由过程。理解一个数据包如何跨越网段到达最终目的地。
• 理解IP数据包分包的原因。
• 了解NAT设备的工作原理。

传输层

• 传输层的作用：负责数据能够从发送端传输接收端。
• 理解端口号的概念。
• 认识UDP协议，了解UDP协议的特点。
• 认识TCP协议，理解TCP协议的可靠性。理解TCP协议的状态转化。
• 掌握TCP的连接管理，确认应答，超时重传，滑动窗口，流量控制，拥塞控制，延迟应答，捎带应答特性。
• 理解TCP面向字节流，理解粘包问题和解决方案。
• 能够基于UDP实现可靠传输。
• 理解MTU对UDP/TCP的影响。

应用层

• 应用层的作用：满足我们日常需求的网络程序，都是在应用层
• 能够根据自己的需求，设计应用层协议。
• 了解HTTP协议。 （以后补充）
• 理解DNS的原理和工作流程。