网络体系结构 和网络原理之UDP和TCP

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

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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/e0e8khttp://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。

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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.

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✅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。

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✅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），

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✅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 socketDatagramSocket 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 socketDatagramSocket 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socketsenderSocket.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.......

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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！