Java网络编程

TCP/IP四层模型： 数据链路层，网络层，传输层，应用层
OSI七层模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，表示层，会话层，应用层

TCP/IP四层模型

物理层

通过光缆，网线实现电脑与电脑之间的连接，传输电信号（0/1）。

数据链路层

MAC地址。（48位二进制 -> 12个16进制）
交换机。
定义电路信号如何分组。以太网协议。
以太网规定：每台电脑有一个网卡，每个网卡必须包含一个mac地址，mac地址就是这个网卡的唯一标识。
在传输数据包的时候，必须指定接收者的mac地址才能传输数据。
传输数据不是精准推送，以太网里面，如果一个电脑发个数据包出去，会广播给局域网内的所有电脑设备的网卡，然后每台电脑都从数据包里获取接收者的mac地址，跟自己的mac地址对比一下，如果一样，就说明这是发给自己的数据包。
广播方式仅仅针对一个子网（局域网）内的电脑，会广播。如果需要传输数据至其他局域网的电脑，就需要用到网络层。

网络层

IP地址。（32位二进制 -> 4个十进制）
路由器。
IP地址与子网掩码的与运算，比较网络部分的地址是否一致，一致则说明是在同一个子网内，否则不在同一个子网内。
有了网络层的ip地址后，两台在子网内的电脑就可以通过广播+mac地址判断来传输数据包进行通信了。
但是如果发现接受的数据包的计算机不在子网内，就不能通过广播来发送数据包，需要通过路由来发送数据包。路由器（其实就是配置了多个网卡的一个专用设备，通过不同的网卡接入不同的网络），发送方先传输数据至网关，通过路由器路由至其他子网的网关，其他网关再进行广播，可能直接找到接收方或到下一个网关再进行转发。
交换机：通过mac地址来寻址和传输数据包。主要用在局域网通信。
路由器：通过ip地址寻址和传输数据包。
两个局域网的电脑如何通信
局域网1的电脑，要发送数据到局域网2的电脑，再数据包里写上自己的IP地址和对方的IP地址，但是他们俩不在一个局域网内，于是局域网1内的电脑，先通过交换机将数据包发送给路由器，这个过程需要将路由器的一块网卡的IP地址对应的mac地址写到数据包的头部，然后才能通过交换机广播出去，路由器接收到之后比较自己的一块网卡的mac地址，就知道是来找自己的。
接着路由器接收到数据包之后，就会在局域网2内，将目标机器的ip地址对应的mac地址写入至数据包头部，然后通过交换机进行广播通知，发送到局域网内的电脑。
如何知道IP地址和MAC地址的对应关系
ARP协议。
一个局域网内让各个设备都知道每个设备的ip地址和mac地址的对应关系。
一般是某个机器发送广播通知自己的ip地址和mac地址的对应关系，让你后每个机器给他一个回应。

传输层

TCP协议，UDP协议。
一台机器，是很多程序用一个网卡进行网络通信的，比如浏览器，QQ，视频直播，这些软件都共用一个网卡往外面发送数据和接收数据。
所以需要一个端口号来监听应用程序，通过监听端口号来提取发送到该端口的数据。
端口号： 0~65536， 0~1023被系统占用。
网络层是基于IP地址，进行主机与主机的寻址和通信。传输层，是建立某个主机的某个端口，到另外一台主机的某个端口的连接和通信。

应用层

负责解释数据。 如收到邮件如何处理，收到网页如何处理。
HTTP协议，FTP协议。
针对不同的应用，邮件，网页，都是定义了不同的应用层协议。

图解四层模型

每一层的装包信息（请求头与请求体）

http请求报文
比如

GET    http://172.194.26.108/test HTTP/1.1
Host: **
User-Agent: **

请求体：比如常见的可以放一个json就构成一个http请求报文。
浏览器请求一个地址，先按照应用层的http协议，封装一个应用层数据包，数据包里面存放了http请求报文。这个时候会将这个http请求报文打包成一个数据包，仅仅只是数据包的数据部分，此时数据包没有头的。（应用层）。
接着跑到传输层，tcp协议会让你设置端口，发送方的端口随机选一个，接收方端口一般是默认80端口。这个时候，会把应用层数据包封装到tcp数据包中去，而且加个tcp头，tcp头放了端口信息。（传输层）

接着跑到网络层，走IP协议，将tcp数据包和tcp头放在ip数据包里，然后搞个IP头，存放本机和目标主机的IP地址信息。（网络层）

接着跑到数据链路层，走以太网协议。将ip数据包和ip头放在以太网数据包里，然后搞个以太网头，放入本机网卡的mac地址和目标主机的mac地址（如果不是同一个子网的，放的是本机网卡mac地址和网关的网卡的mac地址）。（传输层）
以太网数据包限制是1500字节。但是假设这个时候，IP数据包都有5000字节了，那么需要对IP数据包进行分片。

这4个以太网数据包会通过交换机发到网关上，然后路由器是通过连通别的子网，通过多个网关转发，跑到目标主机，目标主机接收到4个以太网数据包。然后目标主机通过ip头的序号，拼接数据包，还原完整的ip数据包。接着从ip数据包里面拿出tcp数据包，再从tcp数据包里取出http数据包，读取http数据包里的各种协议内容，做一些处理。然后把响应结果封装成http响应报文，封装再http数据包里，再一样的过程，封装tcp数据包，封装ip数据包，封装以太网数据包，接着通过网关给发回去。

网络通信的数据传输流程

TCP三次握手

手绘TCP三次握手流程图

为啥是三次握手，不是两次握手或者四次握手

两次握手的弊端：
（1）如果客户端在第一次握手的时候，因为网络延迟或者其他故障问题导致第一次握手被卡住，服务端未收到第一次握手请求，自然也不会发起第二次的握手请求。
（2）此时客户端会重新发起第一次握手请求，此时服务端收到了请求，也给客户端发送了第二次握手，然后两次握手后，就建立的连接，服务端也开辟了资源等待客户端来请求。后面请求结束后，tcp连接也关闭。
（3）但是尴尬的是，之前因为网络延迟导致卡住的第一次握手，后面终于发到了服务器，服务器接收了握手请求之后，直接开辟了资源准备客户端发送数据，并发起了第二次握手请求。如果此时没有第三次握手请求的话，就会导致服务器开辟的资源一直在等待着客户端来使用，但是客户端其实并不需要再请求服务端资源了。
所以，如果只是两次握手请求的话，就可能会出现上面类似的情况。
为什么不是四次握手
三次握手能解决的事情，为什么要四次握手去浪费资源。

TCP断开连接四次挥手

（1）第一次挥手，客户端发送报文，FIN=1，seq=u,此时进入FIN-WAIT-1状态。
（2）第二次挥手，服务端收到报文，此时进入CLOSE_WAIT状态，返回一个报文，ACK=1,ack=u+1,seq=v。客户端收到这个报文之后，直接进入FIN-WAIT-2状态，此时客户端到服务端的连接就释放了。
（3）第三次挥手，服务端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1,seq=w,服务端进入LAST-ACK状态。
（4）第四次挥手，客户端收到连接释放报文之后，发应答报文，ACK=1，ack=w+1,seq=u+1,进入TIME_WAIT状态，等待一会客户端进入CLOSED状态，服务端收到报文之后就进入CLOSED状态。

为什么是四次挥手

（1）客户端发起释放连接的请求时，服务端接收到请求之后，可能还会有资源数据未发完至客户端，所以此时服务端在第二次挥手的时候，就给客户端发送应答报文，告知客户端服务端知道你要释放连接了，等我这边资源发送完毕之后，我会去释放连接的。
（2）接着等到服务端资源发送完毕之后，服务端就会向客户端发起第三次挥手请求，说明可以释放连接了，此时客户端收到服务端的释放请求之后，就会发送一个应答报文，告知服务端收到服务端释放连接的请求了。然后客户端和服务端就都会在一段时间内进入CLOSED状态。

TCP其他相关面试题

为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文生存时间)才会返回到CLOSE状态？

因为网络传输不可靠，在发送方发送ack包确认服务端的关闭请求时可能会造成丢失。用TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK包。
在客户端发送ack包时存在丢失，服务端没有收到ack包，将不断重复发送FIN片段。所以客户端不能立即关闭，它必须确定服务端接收到了该ACK包。
2MSL：一个报文的最大生存时间是MSL，2MSL就是一个发送和一个回复的最大时间。如果直到2MSL，客户端都没有接收到服务端重发的FIN包，那么客户端可以确定发送的ACK包已经被服务端所接收。则结束TCP连接。

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP设有一个保活计时器。客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2个小时，若两小时没有收到客户端的任何数据，服务端就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。

为什么TCP三次握手，为什么需要在发送一次握手确认？

主要防止已经失效的连接请求报文突然又传到了服务器，从而产生错误。
如果使用的是两次握手建立连接，会有这样的场景。客户端发送了一个请求连接并且丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接，在网络通畅后到达了服务器，这个报文本该失效，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务端再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。
如果采用三次握手，就算那一次的失效报文传送过来，服务端接收到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发送确认，由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

HTTP协议工作原理

http1.0 短连接

互联网初期，一般网页几乎没有什么图片，就挂了一大段文字。
http1.0要指定keep-alive来开启持久连接，默认是短连接。就是浏览器每次请求都要重新建立一次tcp连接，请求结束之后就会释放tcp连接。

http1.1 长连接

目前网页丰富，会加载大量的图片，css，js等。此时如果每次请求，都需要建立一次tcp连接，那就是非常耗费资源和时间的。所以此时就会只建立一次tcp连接，并让这个链接一直保持着，不会立马断开，之后加载图片，css，js之类的请求，都会基于这个tcp连接来请求。最后过一段时间，等到事情结束，才会去释放一个tcp连接。大幅度提升打开复杂网页的速度和性能。
http1.1还支持host头，也就是可以支持虚拟主机。而且对断点续传有支持。

http2.0 多路复用

基于一个tcp连接并行发送多个请求以及接收响应，解决了http1.1对同一时间同一域名的请求有限制的问题。
二进制分帧，将传输数据包拆分为更小的帧（数据包），提高性能，实现低延迟高吞吐。

HTTP长连接工作原理

http本身没有什么所谓的长连接短连接。其实说白了都是http下层的tcp连接是长连接还是短连接。
tcp连接保持长连接，那么多个http请求和响应都可以通过一个连接来走。
http1.1默认是走长连接，底层都是一个网页一个tcp连接，一个网页的所有图片，css，js的资源加载，都走底层的tcp连接来多次http请求。
http1.0底层的tcp是短连接，一个网页发起请求，每个请求都是先tcp三次握手，然后发送请求，获取响应，然后tcp四次挥手断开连接。每个请求，都会先连接后断开。