分布式系列-分布式通信协议

1.网络协议在分布式中地位

分布式环境下重要的特点:任务分级和网络通信,其中网络协议在分布式环境中承担着不可缺少的部分,不管是系统与系统之间的通信,或者是中间件之间的通信都与网络协议有着密不可分的关系。

2.网络模型

2.1. OSI模型

 

OSI七层模型分别是:
应用层

网络服务与最终用户的一个接口。

协议有:HTTP FTP TFTP SMTP SNMP DNS TELNET HTTPS POP3 DHCP

表示层

数据的表示、安全、压缩。(在五层模型里面已经合并到了应用层)

格式有,JPEG、ASCll、DECOIC、加密格式等

会话层

建立、管理、终止会话。(在五层模型里面已经合并到了应用层)

对应主机进程,指本地主机与远程主机正在进行的会话

传输层

定义传输数据的协议端口号,以及流控和差错校验。

协议有:TCP UDP,数据包一旦离开网卡即进入网络传输层

网络层

进行逻辑地址寻址,实现不同网络之间的路径选择。

协议有:ICMP IGMP IP(IPV4 IPV6) ARP RARP

数据链路层

建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验 [2]  等功能。(由底层网络定义协议)

将比特组合成字节进而组合成帧,用MAC地址访问介质,错误发现但不能纠正。

物理层

建立、维护、断开物理连接。(由底层网络定义协议)

图示如下:每一层为上层提供服务

 

2.2. TCP/IP模型

TCP/IP协议参考模型把所有TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中每一个抽象层建立在低一层提供的服务上,并且为高一层提供服务

 

ICMP:控制报文协议
IGMP:internet组管理协议

ARP:地址解析协议

RARP:反向地址转化协议

3.TCP/IP协议

3.1. 什么是TCP/IP协议

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是一种可靠的网络数据传输控制协议。定义了主机如何连入因特网以及数据如何在他们之间传输的标准。

3.2. TCP/IP应用场景

TCP/IP是可靠的连接传输,可靠性要求比较高,但传输效率慢。常用的应用场景有:文件传输、重要状态的更新等

3.3. TCP通信原理

对于TCP通信来说,每个TCP Socket的内核中都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区,TCP的全双工的工作模式及TCP的滑动窗口就是依赖于这两个独立的Buffer和该Buffer的填充状态。

接收缓冲区把数据缓存到内核,若应用进程一直没有调用Socket的read方法进行读取,那么该数据会一直被缓存在接收缓冲区内。不管进程是否读取Socket,对端发来的数据都会经过内核接收并缓存到Socket的内核接收缓冲区。

Read要做的工作,就是把内核接收缓冲区中的数据复制到应用层用户的Buffer里。

 

进程调用Socket的send发送数据的时候,一般情况下是讲数据从应用层用户的Buffer里复制到Socket的内核发送缓冲区,然后send就会在上层返回。换句话说,send返回时,数据不一定会被发送到对端。

通信时序图发送端:

 

通信时序图接收端:
 

 

 
注:buffer大小在JAVA默认程序里为8192

 

 

3.4. 三次握手

三次握手(Three-Way Handshake)即建立TCP连接,就是指建立一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立

 

 
1)第一次握手:Client将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=J,并将该数据包发送给Server,Client进入SYN_SENT状态,等待Server确认。

2)第二次握手:Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接,Server将标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个值seq=K,并将该数据包发送给Client以确认连接请求,Server进入SYN_RCVD状态。

3)第三次握手:Client收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=K+1,并将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

SYN攻击:

  在三次握手过程中,Server发送SYN-ACK之后,收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect),此时Server处于SYN_RCVD状态,当收到ACK后,Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址,并向Server不断地发送SYN包,Server回复确认包,并等待Client的确认,由于源地址是不存在的,因此,Server需要不断重发直至超时,这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列,导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃,从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击,检测SYN攻击的方式非常简单,即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的,则可以断定遭到SYN攻击了,使用如下命令可以让之现行:

  #netstat -nap | grep SYN_RECV

3.5. 四次挥手

所谓四次挥手(Four-Way Wavehand)即终止TCP连接,就是指断开一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开

 

由于TCP连接时全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭,上图描述的即是如此。
1)第一次挥手:Client发送一个FIN,用来关闭Client到Server的数据传送,Client进入FIN_WAIT_1状态。

2)第二次挥手:Server收到FIN后,发送一个ACK给Client,确认序号为收到序号+1(与SYN相同,一个FIN占用一个序号),Server进入CLOSE_WAIT状态。

3)第三次挥手:Server发送一个FIN,用来关闭Server到Client的数据传送,Server进入LAST_ACK状态。

4)第四次挥手:Client收到FIN后,Client进入TIME_WAIT状态,接着发送一个ACK给Server,确认序号为收到序号+1,Server进入CLOSED状态,完成四次挥手。

注:

单工:数据传输只支持数据在一个方向上传输

半双工:数据传输允许数据在两个方向上传输,但是在某一时刻,只允许在一个方向上传输,实际上有点像切换方向的单工通信

全双工:数据通信允许数据同时在两个方向上传输,因此全双工是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力

3.6. 滑动窗口

发送方和接收方都会维护一个数据帧的序列,这个序列被称作窗口。发送方的窗口大小由接收方确认,目的是控制发送速度,以免接收方的缓存不够大导致溢出,同时控制流量也可以避免网络拥塞。

明白了Socket读写数据的底层原理,我们就很容易理解“阻塞模式”:对于读取Socket数据的过程而言,如果接收缓冲区为空,则调用Socket的read方法的线程会阻塞,知道有数据进入接收缓冲区;而对于写数据到Socket中的线程来说,如果待发送的数据长度大于发送缓冲区空余长度,则会阻塞在write方法上,等待发送缓冲区的报文被发送到网络上,然后继续发送下一段数据,循环上述过程直到数据都被写入到发送缓冲区为止

从前面分析的过程来看,传统的Socket阻塞模式直接导致每个Socket都必须绑定一个线程来操作数据,参与通信的任意一方如果处理数据的速度较慢,会直接拖累到另一方,导致另一方的线程不得不浪费大量的时间在I/O等待上,所以这就是Socket阻塞模式的“缺陷”。但是这种模式在少量的TCP连接通信的情况下,双方都可以快速的传输数据,这个时候的性能是最高的。

3.7. IO模型

BIO模型

同步阻塞式IO,服务器端与客户端三次握手简历连接后一个链路建立一个线程进行面向流的通信。这曾是jdk1.4前的唯一选择。在任何一端出现网络性能问题时都影响另一端,无法满足高并发高性能的需求。

NIO模型

 同步非阻塞IO,以块的方式处理数据。采用多路复用Reactor模式。JDK1.4时引入。

AIO模型

异步非阻塞IO,基于unix事件驱动,不需要多路复用器对注册通道进行轮询,采用Proactor设计模式。JDK1.7时引入。

4.UDP/IP协议

4.1. 什么是UDP/IP

UDP 是User Datagram Protocol的简称, 中文名是用户数据报协议,在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包,是一种无连接的协议。在OSI模型中,在第四层——传输层,处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点,也就是说,当报文发送之后,是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年,虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖,但是即使是在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议

4.2. 应用场景

实时通信、QQ、视频、流媒体等应用

5.协议在分布式应用

 

 

 

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